Що таке швидкість світла?

Швидкість світла – це межа швидкості Всесвіту. Чи ні?

Швидкість світла у вакуумі становить рівно 299 792 458 метрів (983 571 056 футів) на секунду. Це приблизно 186 282 миль на секунду – універсальна константа, відома в рівняннях як “с”, або швидкість світла.

Відповідно до спеціальної теорії відносності фізика Альберта Ейнштейна, на якій базується більша частина сучасної фізики, ніщо у Всесвіті не може рухатися швидше за світло. Теорія стверджує, що коли матерія наближається до швидкості світла, її маса стає нескінченною. Це означає, що швидкість світла функціонує як обмеження швидкості для всього всесвіту. Швидкість світла настільки незмінна, що, згідно з Національним інститутом стандартів і технологій США, вона використовується для визначення міжнародних стандартних вимірювань, таких як метр (і, відповідно, миля, фут і дюйм). За допомогою хитромудрих рівнянь вона також допомагає визначити кілограм і одиницю вимірювання температури Кельвін.

Але, незважаючи на репутацію швидкості світла як універсальної константи, вчені та письменники-фантасти проводять час у роздумах про подорожі швидше за світло. Поки що ніхто не зміг продемонструвати справжній варп-двигун, але це не сповільнило наш колективний порив до нових історій, нових винаходів і нових сфер фізики.

ЩО ТАКЕ СВІТЛОВИЙ РІК?

Світловий рік – це відстань, яку світло може подолати за один рік – близько 6 трильйонів миль (10 трильйонів кілометрів). Це один із способів, яким астрономи та фізики вимірюють величезні відстані у нашому Всесвіті.

Світло проходить шлях від Місяця до наших очей приблизно за 1 секунду, тобто Місяць знаходиться на відстані близько 1 світлової секунди від нас. Сонячному світлу потрібно близько 8 хвилин, щоб досягти наших очей, тобто Сонце знаходиться на відстані близько 8 світлових хвилин. Світлу від Альфи Центавра, найближчої до нас зоряної системи, потрібно приблизно 4,3 роки, щоб дістатися до нас, отже, Альфа Центавра знаходиться на відстані 4,3 світлових років від нас.

“Щоб отримати уявлення про розмір світлового року, візьміть окружність Землі (24 900 миль), викладіть її у вигляді прямої лінії, помножте довжину лінії на 7,5 (відповідна відстань становить одну світлову секунду), а потім розмістіть 31,6 мільйона подібних ліній кінець в кінець”, – йдеться на сайті Дослідницького центру Гленна НАСА. “Отримана відстань становить майже 6 трильйонів (6 000 000 000 000 000) миль!”

Зірки та інші об’єкти за межами нашої Сонячної системи знаходяться на відстані від кількох світлових років до кількох мільярдів світлових років. І все, що астрономи “бачать” у далекому Всесвіті, є буквально історією. Коли астрономи вивчають далекі об’єкти, вони бачать світло, яке показує об’єкти такими, якими вони існували на момент, коли світло покинуло їх.

Цей принцип дозволяє астрономам бачити всесвіт таким, яким він був після Великого вибуху, що стався близько 13,8 мільярдів років тому. Об’єкти, які знаходяться на відстані 10 мільярдів світлових років від нас, здаються астрономам такими, якими вони виглядали 10 мільярдів років тому – відносно скоро після початку Всесвіту – а не такими, якими вони виглядають сьогодні.

ВІДПОВІДІ ЕКСПЕРТА НА ЗАПИТАННЯ ПРО ШВИДКІСТЬ СВІТЛА

Ми поставили Робу Зеллему, мисливцю за екзопланетами та науковому співробітнику Лабораторії реактивного руху НАСА, кілька поширених запитань про швидкість світла.

Що швидше за швидкість світла?

Нічого! Світло – це “універсальна межа швидкості” і, згідно з теорією відносності Ейнштейна, це найшвидша швидкість у Всесвіті: 300 000 кілометрів на секунду (186 000 миль на секунду).

Чи є швидкість світла постійною?

Швидкість світла є універсальною константою у вакуумі, наприклад, у вакуумі космосу. Однак світло може дещо сповільнюватися, коли воно проходить через поглинаюче середовище, наприклад, воду (225 000 кілометрів на секунду = 140 000 миль на секунду) або скло (200 000 кілометрів на секунду = 124 000 миль на секунду).

Хто відкрив швидкість світла?

Одне з перших вимірювань швидкості світла зробив Рьомер у 1676 році, спостерігаючи за супутниками Юпітера. Вперше швидкість світла була виміряна з високою точністю в 1879 році в експерименті Майкельсона-Морлі.

Звідки ми знаємо швидкість світла?

Рьомер зміг виміряти швидкість світла, спостерігаючи затемнення супутника Юпітера – Іо. Коли Юпітер був ближче до Землі, Рьомер помітив, що затемнення Іо відбувалося трохи раніше, ніж коли Юпітер був далі. Рьомер пояснив цей ефект тим, що світлу потрібно більше часу, щоб подолати більшу відстань, коли Юпітер знаходиться далі від Землі.

ЯК МИ ДІЗНАЛИСЯ ПРО ШВИДКІСТЬ СВІТЛА?

Ще в 5 столітті грецькі філософи Емпедокл і Аристотель розійшлися в поглядах на природу швидкості світла. Емпедокл припускав, що світло, з чого б воно не було зроблене, повинно рухатися, а отже, повинно мати швидкість руху. Аристотель написав спростування поглядів Емпедокла у своєму трактаті “Про чуттєве і розумне”, стверджуючи, що світло, на відміну від звуку і запаху, має бути миттєвим. Аристотель, звісно, помилявся, але знадобилися б сотні років, щоб довести це.

У середині 1600-х років італійський астроном Галілео Галілей поставив двох людей на пагорбах на відстані менше милі один від одного. Кожен з них тримав затулений ліхтар. Один з них відкрив свій ліхтар; коли інший побачив спалах, він теж відкрив свій. Але відстань, на якій проводив експеримент Галілей, була недостатньою для того, щоб його учасники змогли зафіксувати швидкість світла. Він міг лише зробити висновок, що світло поширюється щонайменше в 10 разів швидше за звук.

У 1670-х роках данський астроном Оле Рьомер намагався створити надійний розклад для моряків у морі і, за даними NASA, випадково придумав нову найкращу оцінку швидкості світла. Щоб створити астрономічний годинник, він записував із Землі точний час затемнень супутника Юпітера, Іо. З часом Рьомер помітив, що затемнення Іо часто відрізняються від його розрахунків. Він помітив, що затемнення найбільше запізнюються, коли Юпітер і Земля віддаляються одне від одного, з’являються завчасно, коли планети зближуються, і відбуваються за графіком, коли планети перебувають у своїх найближчих або найвіддаленіших точках. Це спостереження продемонструвало те, що ми сьогодні знаємо як ефект Доплера – зміну частоти світла або звуку, випромінюваного рухомим об’єктом, що в астрономічному світі проявляється як так зване червоне зміщення, зсув у бік “червоніших”, довших хвиль в об’єктах, що віддаляються від нас. Інтуїтивно Рьомер визначив, що світлу потрібен вимірний час, щоб долетіти від Іо до Землі.

Рьомер використав свої спостереження, щоб оцінити швидкість світла. Оскільки розміри Сонячної системи та орбіти Землі ще не були точно відомі, як стверджувалося в статті 1998 року в Американському фізичному журналі, він трохи помилився. Але нарешті вчені отримали число, з яким можна було працювати. Розрахунки Рьомера показали, що швидкість світла становить близько 124 000 миль на секунду (200 000 км/с).

У 1728 році англійський фізик Джеймс Бредлі здійснив нові розрахунки зміни видимого положення зірок, спричиненої рухом Землі навколо Сонця. Він оцінив швидкість світла у 185 000 миль на секунду (301 000 км/с) – з точністю приблизно до 1% від реального значення, згідно з даними Американського фізичного товариства.

Дві нові спроби в середині 1800-х років повернули проблему на Землю. Французький фізик Іпполіт Фізо направив промінь світла на зубчасте колесо, що швидко оберталося, а за 5 миль (8 км) від нього встановив дзеркало, яке відбивало його назад до джерела. Змінюючи швидкість обертання колеса, Фізо зміг розрахувати, скільки часу потрібно, щоб світло пройшло з отвору до сусіднього дзеркала і повернулося назад через щілину. Інший французький фізик, Леон Фуко, використовував дзеркало, що оберталося, а не колесо, щоб виконати по суті той самий експеримент. Кожен з цих двох незалежних методів наблизився до швидкості світла приблизно на 1 000 миль на секунду (1 609 км/с).

Ще одним вченим, який вирішував загадку швидкості світла, був народжений у Польщі Альберт А. Майкельсон, який виріс у Каліфорнії в період золотої лихоманки, а свій інтерес до фізики відточував під час навчання у Військово-морській академії США, згідно з даними Університету Вірджинії. У 1879 році він спробував повторити метод Фуко для визначення швидкості світла, але Майкельсон збільшив відстань між дзеркалами і використовував надзвичайно якісні дзеркала та лінзи. Результат Майкельсона – 186 355 миль на секунду (299 910 км/с) – вважався найточнішим вимірюванням швидкості світла протягом 40 років, доки Майкельсон сам не виміряв її повторно. У своєму другому раунді експериментів Майкельсон блимав вогнями між двома гірськими вершинами з ретельно виміряними відстанями, щоб отримати більш точну оцінку. А під час третьої спроби, незадовго до своєї смерті у 1931 році, згідно з журналом Air and Space Смітсонівського інституту, він побудував розгерметизовану трубу з гофрованої сталевої труби завдовжки в милю. Труба імітувала майже вакуум, який би усунув будь-який вплив повітря на швидкість світла для ще більш точного вимірювання, яке в підсумку виявилося лише трохи нижчим за прийняте сьогодні значення швидкості світла.

Майкельсон також вивчав природу самого світла, пише астрофізик Ітан Сігал у науковому блозі Forbes “Все починається з вибуху”. Думки найкращих умів фізики під час експериментів Майкельсона були розділені: Світло – це хвиля чи частинка?

Майкельсон разом зі своїм колегою Едвардом Морлі працював, виходячи з припущення, що світло рухається як хвиля, так само, як і звук. І так само, як звук потребує частинок, щоб рухатися, міркували Майкельсон, Морлі та інші фізики того часу, світло повинно мати якесь середовище, щоб рухатися крізь нього. Ця невидима, невизначувана речовина була названа “світловим ефіром” (також відомим як “ефір”).

Хоча Майкельсон і Морлі побудували складний інтерферометр (найпростішу версію інструменту, що використовується сьогодні в установках LIGO), Майкельсон не зміг знайти доказів існування будь-якого виду світного ефіру. Він визначив, що світло може подорожувати у вакуумі і подорожує.

“Експеримент – і вся робота Майкельсона – була настільки революційною, що він став єдиною людиною в історії, яка отримала Нобелівську премію за дуже точне невідкриття чого-небудь, – писав Сігал. “Сам експеримент, можливо, був повним провалом, але те, що ми дізналися з нього, було більшим благом для людства і нашого розуміння Всесвіту, ніж будь-який успіх!”

СПЕЦІАЛЬНА ТЕОРІЯ ВІДНОСНОСТІ ТА ШВИДКІСТЬ СВІТЛА

Спеціальна теорія відносності Ейнштейна об’єднала енергію, матерію та швидкість світла у відомому рівнянні: E = mc^2. Рівняння описує взаємозв’язок між масою та енергією – малі кількості маси (m) містять або складаються з величезної кількості енергії (E). (Саме це робить ядерні бомби такими потужними: Вони перетворюють масу на вибухи енергії). Оскільки енергія дорівнює масі, помноженій на швидкість світла в квадраті, швидкість світла слугує коефіцієнтом перетворення, пояснюючи, скільки саме енергії повинно бути в матерії. А оскільки швидкість світла – це величезне число, навіть невелика кількість маси повинна відповідати величезній кількості енергії.

Для того, щоб точно описати всесвіт, елегантне рівняння Ейнштейна вимагає, щоб швидкість світла була незмінною константою. Ейнштейн стверджував, що світло рухається у вакуумі, а не в якомусь світлоносному ефірі, і таким чином, що воно рухається з однаковою швидкістю незалежно від швидкості спостерігача.

Подумайте про це так: Спостерігач, який сидить у поїзді, може дивитися на поїзд, що рухається паралельною колією, і думати, що його відносний рух відносно нього дорівнює нулю. Але спостерігачі, які рухаються майже зі швидкістю світла, все одно сприйматимуть світло як таке, що віддаляється від них зі швидкістю понад 670 мільйонів миль на годину (це тому, що рух дуже, дуже швидко є одним з єдиних підтверджених методів подорожей у часі – час насправді сповільнюється для тих спостерігачів, які будуть старіти повільніше і сприйматимуть менше миттєвостей, ніж спостерігач, який рухається повільно).

Іншими словами, Ейнштейн припустив, що швидкість світла не залежить від часу чи місця, де ви її вимірюєте, або від того, як швидко рухаєтеся ви самі.

Отже, об’єкти, що мають масу, ніколи не можуть досягти швидкості світла. Якби об’єкт коли-небудь досягнув швидкості світла, його маса стала б нескінченною. І, як наслідок, енергія, необхідна для переміщення об’єкта, також стала б нескінченною: це неможливо.

Це означає, що якщо ми базуватимемо наше розуміння фізики на спеціальній теорії відносності (а більшість сучасних фізиків так і роблять), то швидкість світла є незмінною межею швидкості нашого всесвіту – найшвидшою швидкістю, з якою може рухатися будь-що.

ЩО РУХАЄТЬСЯ ШВИДШЕ ЗА ШВИДКІСТЬ СВІТЛА?

Хоча швидкість світла часто називають межею швидкості Всесвіту, насправді він розширюється ще швидше. Всесвіт розширюється зі швидкістю трохи більше 42 миль (68 кілометрів) на секунду на кожен мегапарсек відстані від спостерігача, писав астрофізик Пол Саттер у своїй попередній статті для Space.com. (Мегапарсек – це 3,26 мільйона світлових років – дуже велика відстань).

Іншими словами, галактика на відстані 1 мегапарсек віддаляється від Чумацького Шляху зі швидкістю 42 милі на секунду (68 км/с), тоді як галактика на відстані двох мегапарсек віддаляється зі швидкістю майже 86 миль на секунду (136 км/с), і так далі.

“У якийсь момент, на непристойній відстані, швидкість перевершує шкалу і перевищує швидкість світла, і все це внаслідок природного, регулярного розширення простору”, – пояснив Саттер. “Здається, що це має бути незаконним, чи не так?”

За словами Саттера, спеціальна теорія відносності встановлює абсолютну межу швидкості у Всесвіті, але теорія Ейнштейна 1915 року щодо загальної теорії відносності допускає іншу поведінку, коли фізика, яку ви вивчаєте, перестає бути “локальною”.

“Галактика на далекому краю Всесвіту? Це область загальної теорії відносності, і загальна теорія відносності говорить: Яка різниця! Ця галактика може мати будь-яку швидкість, яку вона хоче, доки вона залишається дуже далеко, а не поруч з вашим обличчям”, – написав Саттер. “Спеціальну теорію відносності не хвилює швидкість – надсвітлова чи інша – далекої галактики. І вам теж не варто”.

ЧИ СПОВІЛЬНЮЄТЬСЯ СВІТЛО?

Вважається, що світло у вакуумі рухається з абсолютною швидкістю, але світло, що проходить крізь будь-яку речовину, може сповільнюватися. Міра, на яку матеріал уповільнює світло, називається його показником заломлення. Світло викривляється при зіткненні з частинками, що призводить до зменшення швидкості.

Наприклад, світло, що проходить крізь атмосферу Землі, рухається майже так само швидко, як і у вакуумі, сповільнюючись лише на три десятитисячні швидкості світла. Але світло, що проходить крізь алмаз, сповільнюється до менш ніж половини своєї звичайної швидкості, повідомляє PBS NOVA. Незважаючи на це, воно проходить крізь коштовний камінь зі швидкістю понад 277 мільйонів миль на годину (майже 124 000 км/с) – достатньо для того, щоб змінити ситуацію, але все одно неймовірно швидко.

Згідно з дослідженням 2001 року, опублікованим в журналі Nature, світло може затримуватися – і навіть зупинятися – всередині надхолодних хмар атомів. Зовсім недавно, в дослідженні 2018 року, опублікованому в журналі Physical Review Letters, було запропоновано новий спосіб зупинити світло на його шляху у “виняткових точках”, або місцях, де два окремі світлові випромінювання перетинаються і зливаються в одне.

Дослідники також намагалися сповільнити світло, навіть коли воно рухається у вакуумі. Команда шотландських вчених успішно сповільнила один фотон, або частинку світла, навіть коли він рухався у вакуумі, як описано в їхньому дослідженні 2015 року, опублікованому в журналі Science. За їхніми вимірами, різниця між сповільненим фотоном і “звичайним” фотоном становила лише кілька мільйонних часток метра, але це продемонструвало, що світло у вакуумі може бути повільнішим за офіційну швидкість світла.

ЧИ МОЖЕМО МИ ПОДОРОЖУВАТИ ШВИДШЕ ЗА СВІТЛО?

Наукова фантастика обожнює ідею “надсвітлової швидкості”. Подорожі швидше за світло уможливлюють незліченну кількість фантастичних франшиз, стискаючи безкраї простори космосу і дозволяючи персонажам з легкістю переміщатися між зоряними системами.

Але хоча подорожі зі швидкістю, більшою за швидкість світла, не є гарантовано неможливими, нам потрібно буде використати досить екзотичну фізику, щоб змусити її працювати. На щастя для любителів наукової фантастики та фізиків-теоретиків, існує безліч шляхів для дослідження.

Все, що нам потрібно зробити, це зрозуміти, як не рухатися самим – оскільки спеціальна теорія відносності гарантує, що ми будемо знищені ще до того, як наберемо достатню швидкість, – а натомість рухати простір навколо нас. Легко, чи не так?

Одна із запропонованих ідей передбачає космічний корабель, який може згорнути навколо себе просторово-часову бульбашку. Звучить чудово, як в теорії, так і в фантастиці.

“Якби капітан Кірк був змушений рухатися зі швидкістю наших найшвидших ракет, йому знадобилося б сто тисяч років, щоб дістатися до наступної зоряної системи”, – сказав Сет Шостак, астроном з Інституту пошуку позаземного розуму (SETI) в Маунтін-В’ю, штат Каліфорнія, в інтерв’ю 2010 року дочірньому сайту Space.com – LiveScience. “Отже, наукова фантастика вже давно постулює спосіб подолати бар’єр швидкості світла, щоб історія могла рухатися трохи швидше”.

Без подорожей, швидших за світло, будь-який “Зоряний шлях” (або “Зоряна війна”, якщо вже на те пішло) був би неможливий. Якщо людство коли-небудь досягне найвіддаленіших – і постійно розширюваних – куточків нашого всесвіту, майбутнім фізикам доведеться сміливо йти туди, де ще ніхто не бував.

ДОДАТКОВІ РЕСУРСИ

Щоб дізнатися більше про швидкість світла, скористайтеся цим цікавим інструментом від Academo, який дозволяє візуалізувати, як швидко світло може подорожувати з будь-якої точки Землі в будь-яку іншу. Якщо вас більше цікавлять інші важливі числа, ознайомтеся з універсальними константами, які визначають стандартні системи вимірювання у всьому світі, на сайті Національного інституту стандартів і технологій. А якщо ви хочете дізнатися більше про історію швидкості світла, перегляньте книгу Джона Спенса “Швидкість світла: примарний ефір і перегони за вимірюванням швидкості світла” (Оксфорд, 2019).

БІБЛІОГРАФІЯ

Аристотель. “Про чуттєве і розумне”. Інтернет-архів класики, 350 р. н.е. http://classics.mit.edu/Aristotle/sense.2.2.html.

Д’Альто, Нік. “Трубопровід, який виміряв швидкість світла”. Смітсонівський журнал, січень 2017. https://www.smithsonianmag.com/air-space-magazine/18_fm2017-oo-180961669/.

Фаулер, Майкл. “Швидкість світла”. Сучасна фізика. Університет Вірджинії. Доступно 13 січня 2022 року. https://galileo.phys.virginia.edu/classes/252/spedlite.html#Albert%20Abraham%20Michelson.

Джованніні, Даніель, Жаклін Ромеро, Вацлав Поточек, Гергей Ференці, Фіона Спірітс, Стівен М. Барнетт, Даніеле Фачіо та Майлз Дж. “Просторово структуровані фотони, які подорожують у вільному просторі повільніше за швидкість світла”. Science, 20 лютого 2015 року. https://www.science.org/doi/abs/10.1126/science.aaa3035.

Гольдзак, Тамар, Олексій А. Майлибаєв та Німрод Мойсеєв. “Світло зупиняється у виняткових точках”. Physical Review Letters 120, no. 1 (3 січня 2018): 013901. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.120.013901.

Хейзен, Роберт. “Що змушує алмаз виблискувати?” PBS NOVA, 31 січня 2000 року. https://www.pbs.org/wgbh/nova/article/diamond-science/.

“Скільки триває світловий рік?” Glenn Learning Technologies Project, 13 травня 2021 року. https://www.grc.nasa.gov/www/k-12/Numbers/Math/Mathematical_Thinking/how_long_is_a_light_year.htm.

Новини Американського фізичного товариства. “Липень 1849 року: Фізо публікує результати експерименту зі швидкістю світла”, липень 2010 року. http://www.aps.org/publications/apsnews/201007/physicshistory.cfm.

Liu, Chien, Zachary Dutton, Cyrus H. Behroozi, and Lene Vestergaard Hau. “Спостереження когерентного оптичного зберігання інформації в атомному середовищі з використанням зупинених світлових імпульсів”. Nature 409, no. 6819 (січень 2001): 490–93. https://doi.org/10.1038/35054017.

НІСТ. “Знайомство з константами”. 12 жовтня 2018 року. https://www.nist.gov/si-redefinition/meet-constants.

Уеллетт, Дженніфер. “Коротка історія швидкості світла”. PBS NOVA, 27 лютого 2015 року. https://www.pbs.org/wgbh/nova/article/brief-history-speed-light/.

Ши, Джеймс Х. “Оле Ро/Мер, швидкість світла, видимий період Іо, ефект Доплера та динаміка Землі і Юпітера”. Американський фізичний журнал 66, № 7 (1 липня 1998): 561–69. https://doi.org/10.1119/1.19020.

Сігел, Ітан. “Невдалий експеримент, який змінив світ”. Forbes, 21 квітня 2017 року. https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2017/04/21/the-failed-experiment-that-changed-the-world/.

Стерн, Девід. “Рьомер і швидкість світла”, 17 жовтня 2016 року. https://pwg.gsfc.nasa.gov/stargaze/Sun4Adop1.htm.