Узнайте почему скорость света является предельной и недостижимым барьером для объектов и сигналов. Разберем ограничения скорости света, физические постулаты и измерение скорости света. Читайте статью на NOCFN.
Cодержание
20 век стал веком невиданных открытий и совершений. Одним из таких открытий стало изобретение специальной и общей теорий относительности (СТО и ОТО), довольно точно объяснивших многие физические явления. Однако теория относительности тяжело воспринимается, поскольку противоречит здравому смыслу. Например, двигаясь со скоростью света, длина тела будет уменьшаться в направлении движения, время для тела полностью остановится, а также оно будет иметь бесконечную массу. Именно поэтому, для тел, что имеют массу покоя, скорость света является недостижимым барьером. Но является ли это таковым на самом деле? Давайте порассуждаем.
Ограничения скорости света
В настоящее время удалось разогнать протоны при помощи ускорителей частиц до скоростей очень близких к световым. Буквально до скорости света отделяют лишь сотые доли процента. При этом, чтобы разогнать ещё сильнее протон, придётся приложить многократно больше энергии, и даже при этом не удастся разогнать его до ровно световой скорости. Это подтверждает теорию относительности и ограничение скорости света. Но почему именно скорость света является предельной?
Скорость света как самая быстрая скорость
Скорость света – это самая быстрая из известных человеку скоростей. Протоны разгоняются благодаря электромагнитным волнам, которые образуют электромагнитное поле, движущееся со скоростью света. Это поле толкает протон вперед. Для примера, представьте, что вы на машине на идеально ровной дороге толкаете тележку. Ваша предельная скорость равняется 40 км/час. Значит, и у тележки 40 км/час будет предельной скоростью. Большую скорость она не сможет приобрести. Аналогично, протон не может достичь скорости света, поскольку всегда есть потери энергии передачи от электромагнитного поля к частице.
Разгон частиц в электромагнитном поле
Разгон частицы, например протона, в электромагнитном поле требует передачи кинетической энергии от поля к частице. Однако всегда существуют потери энергии, и поэтому скорость частицы никогда не достигает скорости света. Это объясняет предельность скорости света и потребность в бесконечном количестве энергии для достижения этой скорости.
Скорость света и электромагнитные волны
Рассматривая только толкание, мы понимаем, почему скорость света является предельной. Однако двигаться возможно не только благодаря толканию, но и благодаря другим механизмам. В физике скорость света в вакууме считается абсолютной величиной скорости распространения электромагнитных волн. Она равна приблизительно 299 792 458 м/с. Скорость света в вакууме не зависит от выбора инерциальной системы отсчета и является фундаментальной постоянной физической величиной.
Измерение скорости света
Скорость света в вакууме была измерена с большой точностью в 1975 году и составляет 299 792 458 ± 1,2 м/с. Считается, что это точное значение скорости света, связанное с определением метра в Международной системе единиц (СИ). С 1983 года метр определен как расстояние, которое проходит свет в вакууме за промежуток времени, равный 1/299 792 458 секунды.
См. также
Ограничение скорости света и физические постулаты
Ограничение скорости света связано с основными постулатами физики, такими как причинность и независимость скорости света от выбора инерциальной системы отсчета. Из этих постулатов следует, что скорость любого сигнала и элементарной частицы не может превышать скорость света. Таким образом, скорость света в вакууме является предельной скоростью движения частиц и распространения взаимодействий.
Заключение
Скорость света в вакууме является предельной скоростью, которую нельзя превысить ни для каких объектов или сигналов. Ограничение скорости света связано с фундаментальными постулатами физики, а также с особенностями электромагнитных волн и их взаимодействия с частицами. Измерения и экспериментальные данные подтверждают предельность скорости света и ее значение в вакууме. Благодаря этому ограничению, скорость света играет важную роль в понимании физических явлений и развитии науки.
Что нам скажет Википедия?
Скорость света в вакууме — абсолютная величина скорости распространения электромагнитных волн, в точности равная 299 792 458 м/с (или приблизительно 3×108 м/с). В физике традиционно обозначается латинской буквой «c» (произносится как «цэ»), от лат. celeritas (скорость).
Скорость света в вакууме — фундаментальная постоянная, не зависящая от выбора инерциальной системы отсчёта (ИСО). Она относится к фундаментальным физическим постоянным, которые характеризуют не просто отдельные тела или поля, а свойства геометрии пространства-времени в целом. Из постулата причинности и постулата специальной теории относительности о независимости скорости света в вакууме от выбора инерциальной системы отсчёта следует, что скорость любого сигнала и элементарной частицы не может превышать скорость света. Таким образом, скорость света в вакууме — предельная скорость движения частиц и распространения взаимодействий.
Массивные частицы могут иметь скорость, приближающуюся почти вплотную к скорости света, но всё же не достигающую её точно. Например, околосветовую скорость, лишь на 3 м/с меньше скорости света, имеют массивные частицы (протоны), полученные на ускорителе (Большой адронный коллайдер) или входящие в состав космических лучей.
Хотя в принципе движение каких-то объектов со скоростью, большей скорости света в вакууме, вполне возможно, однако это могут быть, с современной точки зрения, только такие объекты, которые не могут быть использованы для переноса информации с их движением.
Вывод скорости света из уравнений Максвелла. Уравнения Максвелла в дифференциальной форме:
- rot E = -∂B/∂t
- rot H = j + ∂D/∂t
- div B = 0
- div D = ρ
- B = μμ0H
- D = εε0E
E - вектор напряженности электрического поля, H - вектор напряженности магнитного поля, B - вектор магнитной индукции, D - вектор электрической индукции, μ - магнитная проницаемость, μ0 - магнитная постоянная, ε - электрическая проницаемость, ε0 - электрическая постоянная, j - плотность тока, ρ - плотность заряда.
Уравнения Максвелла позволяют вывести скорость света из электромагнитных волн, и это подтверждается множеством экспериментальных данных и наблюдений.
