Что такое скорость света, чему она равна и почему ее нельзя превысить

Почти вся информация, которую мы имеем о Вселенной, приходит к нам в виде света. Благодаря ему мы видим далекие звезды и можем заглянуть почти к самому началу существования мира.

Когда астрономы изучают галактики, туманности или черные дыры, на самом деле они изучают не сами объекты, а их излучение. Свет приносит нам сведения о составе, температуре, движении и расстоянии до космических тел. Но он распространяется не мгновенно — у света есть скорость. И скорость эта оказалась настолько постоянной, что через нее сегодня определяют даже единицы измерения: например, метр официально задан как расстояние, которое свет проходит за строго определенную долю секунды.

Разбираемся, что такое скорость света, как ее измерили и почему быстрее нее во Вселенной не может двигаться ничего.

Что такое скорость света

Скорость света — это предельная скорость распространения любых взаимодействий и сигналов в нашей Вселенной. Иначе говоря, это максимальная возможная скорость движения в космосе. Обозначают ее латинской буквой c.

Скорость света — это максимальная возможная скорость движения в космосе

Этот предел впервые обнаружили именно при изучении света. Оказалось, что он всегда распространяется с одной и той же скоростью — и быстрее в природе ничего не бывает. Поэтому, прежде чем двигаться дальше, нужно понять, что вообще мы называем светом.

Если совсем кратко, свет — это наименьшая порция энергии, которую можно передать, — фотон. Это элементарная частица без размера в привычном смысле: ее нельзя разделить, можно только испустить или поглотить. Свет проявляет корпускулярно-волновой дуализм: иногда он ведет себя как частица, иногда как волна.

Многие общие свойства света можно понять, представляя свет именно как волну. Но, в отличие от волн на воде или звука в воздухе, в случае света колеблется не вещество: в пространстве возникают и исчезают электрическое и магнитное поля, непрерывно порождая друг друга. Поэтому свет называют электромагнитным излучением.

Понадобились столетия экспериментов, чтобы установить: свет — это форма энергии. За миллионы лет эволюции глаза приспособились лучше всего воспринимать излучение Солнца. Такой участок спектра мы называем видимым светом — когда мы говорим «свет», чаще всего мы имеем в виду его. Но это только крошечная область огромного электромагнитного спектра, то есть энергии, распространяющейся в форме электромагнитного излучения. Этот спектр охватывает колоссальный диапазон длин волн и частот.

На одном его конце находятся гамма-лучи — фотоны с наибольшей энергией и самыми короткими длинами волн. Большинство из них короче десяти пикометров, то есть значительно меньше атома водорода. Если атом сравнить с монетой, то монета будет примерно столь же мала по сравнению с Луной.

Видимый свет находится примерно в середине спектра: его длины волн составляют около 400–700 нанометров, то есть меньше толщины человеческого волоса примерно в сто раз.

На противоположном конце спектра находятся радиоволны: их длина может достигать 100 километров, а самые большие известные волны простираются на десятки тысяч километров — больше размеров Земли.

С точки зрения физики все это одно и то же явление. Все виды излучения обладают корпускулярно-волновыми свойствами и распространяются с одной и той же скоростью — c, скоростью света.

Скорость света в вакууме

Значение скорости света очень точно определено: c — это ровно 299792458 метров в секунду в вакууме, почти миллиард километров в час. В веществе свет может двигаться медленнее (например, в воде или стекле), потому что взаимодействует с атомами среды. Но в пустом пространстве быстрее уже ничего не распространяется.

Любая частица без массы движется со скоростью c — ей не нужно разгоняться до нее. Свет, испущенный пламенем свечи, не ускоряется, в момент своего появления он уже движется с предельной скоростью. Почему эта скорость конечна, мы пока не знаем. Так устроена наша Вселенная: в ее законах существует фундаментальный предел, который ничто не может превзойти.

Скорость света в разных средах

Вещество влияет на распространение света: проходя через него, световая волна немного задерживается. Электрическое поле света заставляет электроны в атомах среды колебаться, и на это уходит время. Поэтому свет в материалах движется медленнее, чем в вакууме.

Насколько именно — зависит от вещества и его показателя преломления: чем он больше, тем сильнее замедление.

Даже в воде свет проходит всего на четверть медленнее, чем в пустоте, а в алмазе — почти в два с половиной раза медленнее. Из-за этого возникает преломление: луч меняет направление, переходя из одной среды в другую.

Как измерили скорость света

Сегодня значение скорости света известно с огромной точностью, но так было не всегда. Долгое время люди вообще не были уверены, что у света есть скорость.

Еще в античности философы спорили об этом. Эмпедокл считал, что свет должен распространяться во времени — значит, у него есть скорость. Аристотель возражал: свет, по его мнению, появляется мгновенно, как только мы открываем глаза. Многие столетия именно эта точка зрения считалась правильной.

Первую попытку измерения сделал Галилео Галилей в XVII веке. Он поставил двух наблюдателей на разных холмах и каждому дал фонарь с заслонкой. Один открывал свет, второй, увидев вспышку, открывал свой. По задержке Галилей надеялся определить время распространения света. Эксперимент провалился — расстояние оказалось слишком маленьким. Все, что удалось установить: свет движется значительно быстрее звука.

Настоящий прорыв произошел в 1670-х годах благодаря датскому астроному Оле Ремеру. Он изучал затмения спутника Юпитера Ио. Спутник регулярно проходит через тень Юпитера, и моменты этих затмений можно заранее точно рассчитать. Но Ремер заметил странность: когда Земля и Юпитер удалялись друг от друга, затмения происходили немного позже расчета. Когда планеты сближались — раньше. Никакой физический процесс на Ио так быстро происходить не мог. Ремер сделал смелый вывод: дело не в спутнике, а в свете. Когда расстояние до Юпитера увеличивается, свету просто требуется больше времени, чтобы дойти до Земли.

Так впервые стало ясно, что свет распространяется не мгновенно. По величине задержки Ремер оценил скорость света примерно в 200000 км/с. Он немного промахнулся, но это была первая ее количественная оценка.

В XVIII веке английский астроном Джеймс Брэдли получил более точный результат, наблюдая небольшое годичное смещение положения звезд на небе (аберрацию света), вызванное движением Земли по орбите. Его значение отличалось от современного всего примерно на 1%.

В XIX веке измерения впервые перенесли на Землю. Француз Ипполит Физо пропускал луч света через быстро вращающееся зубчатое колесо, отражал его от зеркала в нескольких километрах и ловил возвращающийся луч. Подбирая скорость вращения, он определил, сколько времени свету требуется на путь туда и обратно.

Почти сразу французский физик Леон Фуко улучшил метод, заменив колесо вращающимся зеркалом. Оба эксперимента дали значения, уже очень близкие к реальному.

Наиболее точные измерения провел американец Альберт Майкельсон. Он увеличил расстояние между зеркалами до километров и использовал высококачественную оптику.

Позже он построил длинную вакуумную трубу, чтобы исключить влияние воздуха. Его результат — около 299910 км/с — считался самым точным значением скорости света почти 40 лет. Причем позже Майкельсон сам же его и уточнил.

Но куда важнее оказался другой его эксперимент. Майкельсон вместе с Эдвардом Морли пытался обнаружить «эфир» — гипотетическую среду, в которой якобы распространяется свет, как звук в воздухе. Эксперимент ничего не обнаружил. Свету не нужна среда: он распространяется в пустоте.

Астрофизик Итан Сигел отмечал, что Майкельсон стал единственным человеком в истории, получившим Нобелевскую премию за очень точное «неоткрытие».

Именно это позволило Эйнштейну сформулировать специальную теорию относительности. В ней скорость света стала не просто свойством излучения, а фундаментальной константой, одинаковой для всех наблюдателей, независимо от их движения. Из этого следуют необычные эффекты — замедление времени, связь массы и энергии (E = mc²) и невозможность разогнать материальный объект до скорости света.

Так постепенно выяснилось: измеряя свет, физики на самом деле открывали устройство пространства и времени.

Скорость света или скорость звука: что быстрее

Скорость звука — это скорость распространения звуковых колебаний в среде. Когда источник звука (например, хлопок или удар) заставляет частицы воздуха колебаться, они передают движение соседним частицам, и так по цепочке распространяется звуковая волна.

В обычном воздухе при комнатной температуре скорость звука составляет примерно 340 м/с (около 1200 км/ч). Она сильно зависит от условий: в холодном воздухе звук идет медленнее, в теплом быстрее, а в воде или металле — значительно быстрее, потому что частицы расположены плотнее.

Свет распространяется иначе: ему не нужна среда, поэтому он движется несравнимо быстрее — почти 300000 км/с. Разница огромная: свет быстрее звука примерно в 880 тысяч раз.

Именно поэтому во время грозы мы сначала видим молнию, а уже потом слышим гром. Свет от вспышки доходит до глаз почти мгновенно, а звуковой волне требуется время, чтобы пройти через воздух. По задержке между молнией и громом даже можно примерно оценить расстояние до разряда: каждые три секунды соответствуют примерно одному километру.

Что быстрее скорости света

Скорость света — это предел скорости во Вселенной, но с важной оговоркой. Никакой объект, частица или сигнал не может пролететь мимо вас быстрее света. Разогнать космический корабль или даже элементарную частицу до такой скорости невозможно: по мере ускорения требуемая энергия растет безгранично.

Однако возникает вопрос: если это абсолютный предел, почему астрономы говорят, что далекие галактики удаляются от нас быстрее света?

Дело в не в том, что галактики движутся. Расширяется пространство между нами и ими. Вселенная увеличивается в размерах, и чем дальше объект, тем быстрее растет расстояние до него. Наблюдения показывают: примерно на каждые 3,26 миллиона световых лет расстояния скорость удаления увеличивается еще примерно на 70 км/с. Поэтому на достаточно больших дистанциях получается, что далекие галактики уходят от нас быстрее скорости света.

Ограничение скорости действует только для движения через пространство. В космологии же расширяется само пространство. Галактика при этом не обгоняет свет рядом с нами и не передает сверхсветовой сигнал, просто расстояние между нами увеличивается быстрее, чем свет успевает его преодолеть.

Тем не менее скорость света остается пределом для движения и передачи информации: нельзя отправить сообщение быстрее нее, нельзя увидеть событие раньше, чем свет от него успеет долететь, и невозможно разогнать объект до такой скорости.

Частые вопросы
Меняется ли скорость света со временем?

Современная физика исходит из того, что скорость света в вакууме постоянна. Это фундаментальная константа природы. Она входит в уравнения теории относительности и лежит в основе современных единиц измерения.

Иногда появляются гипотезы о возможных изменениях фундаментальных констант в ранней Вселенной, но убедительных подтверждений того, что скорость света со временем менялась, нет. По всем доступным наблюдениям она одинакова сегодня, миллиарды лет назад и в любом направлении в пространстве.

Влияет ли гравитация на скорость света?

Нет, гравитация не меняет скорость света в вакууме. Но она может изменить направление, в котором свет распространяется. Массивные объекты искривляют пространство-время, и луч света, проходя рядом с ними, отклоняется. Это явление называется гравитационным линзированием.

Кроме того, в сильном гравитационном поле меняется энергия света: его длина волны увеличивается, а частота уменьшается. Этот эффект известен как гравитационное красное смещение.

Где используют скорость света?

Скорость света лежит в основе современной системы единиц: через нее определяется метр [3]. Она используется и в спутниковой навигации — например, в системах GPS и ГЛОНАСС. Сигналы от спутников распространяются со скоростью света, и по времени их прихода вычисляется положение на Земле. Кроме того, эта величина постоянно используется в астрофизике, космологии, телекоммуникациях и электронике, поскольку электромагнитные сигналы в проводах и оптоволокне распространяются со скоростями, близкими к скорости света.

Почему ничего не может двигаться быстрее скорости света?

Согласно специальной теории относительности, по мере приближения объекта к скорости света его энергия растет все быстрее. Чтобы разогнать тело до такой скорости, потребовалось бы бесконечное количество энергии, поэтому ни космический корабль, ни атом, ни даже элементарная частица с ненулевой массой не могут достичь или превысить скорость света. А частицы без массы, например фотоны, движутся с этой скоростью изначально.

Можно ли увидеть скорость света?

В обычной жизни — нет: скорость света настолько велика, что на расстояниях комнаты, дома или даже города его распространение кажется мгновенным. Однако в лабораториях ученые научились фиксировать движение светового импульса с помощью сверхбыстрых камер, способных делать миллиарды кадров в секунду.

Например, в одном из экспериментов Массачусетского технологического института удалось записать, как лазерный импульс проходит через бутылку с водой, и на таком видео видно, как световой фронт распространяется в пространстве.


Главное о скорости света

- Скорость света — это предельная скорость распространения сигналов и взаимодействий во Вселенной.
- В вакууме она равна ровно 299 792 458 метров в секунду (почти 300 тысяч км/с).
- Никакой объект или частица с ненулевой массой не может достичь или превысить эту скорость.
- Частицы без массы, например фотоны, всегда движутся со скоростью света.
- Свет — это электромагнитное излучение, которое проявляет и волновые, и корпускулярные свойства.
- Видимый свет — лишь небольшая часть огромного электромагнитного спектра.
- В веществе свет распространяется медленнее, чем в вакууме, из-за взаимодействия с атомами среды.
- Скорость света используется для определения единиц измерения: например, через нее задается метр.
- На огромных космологических расстояниях галактики могут удаляться быстрее света из-за расширения пространства.