Скорость света постоянна – вас обманули
Apr. 2nd, 2022 06:02 pm![[personal profile]](https://www.dreamwidth.org/img/silk/identity/user.png){kind=small}
a_gorbВесьма часто приходится слышать, что скорость света не зависит от скорости источника и приемника и всегда остается одной и той же. И это лежит в основе Теории относительности Эйнштейна. (Под светом здесь и далее будем понимать любую электромагнитную (ЭМ) волну.) После рассмотрения распространения света в среде к этому утверждению добавляют, что имеется в виду движение света в вакууме. Нередко еще добавляют, что эта скорость является максимально возможной. В системе единиц физических величин СИ скорость света в вакууме принята константой равной в точности 299 792 458 м/с. А уже через эту константу и эталон времени (секунда) определяется эталон длины (метр).
Но давайте посмотрим на несколько примеров и выясним, а так ли это.
1. Еще со школы известно, что скорость является вектором. Т.е. скорость имеет направление и величину (модуль, абсолютное значение вектора). Например, пусть мимо перрона движется поезд со скоростью V. С перрона перпендикулярно поезду бросают шарик со скоростью C. На поезде хотят поймать этот шарик в трубку (диаметр которой лишь ненамного больше диаметра шарика) причем так, что бы шарик пролетел через трубку, не касаясь ее стенок. Вопрос – под каким углом надо установить трубку?
По отношению к поезду скорость шарика есть сумма векторов скорости перрона по отношению к поезду (это как раз вектор обратный вектору скорости поезда по отношению к перрону V) и вектора скорости шарика по отношению к перрону U=C+(–V). Отсюда без труда находим угол: tg(a)=C/V. Такого типа задачки встречаются часто, например, под каким углом надо плыть на лодке, что бы пересечь реку перпендикулярно берегу.
Аналогично происходит при астрономических наблюдениях. Пусть свет от некой звезды падает на Землю примерно перпендикулярно плоскости, в которой она вращается вокруг Солнца. Тогда направление, под которым надо установить телескоп, что бы эта звезда была в центре изображения, будет меняться в течение года. Это происходит из за того, что наша планета меняет свою скорость (в основном ее направление) при годичном движении. Т.е. здесь ситуация полностью аналогичная примеру с поездом и шариком. На рисунке C – скорость света, V – скорость Земли, обе относительно Солнечной системы. Тогда, как раз получается, что U – это скорость света по отношению к Земле. И вектор U никак не равен вектору C.
Это отклонение наблюдаемого положения светил, возникающее из-за движения Земли (из-за сложения скоростей Земли и света, идущего от них) называется звездная аберрация. Джеймс Брэдли обнаружил это явление без малого 300 лет назад. И тогда же интерпретировал его как результат сложения скоростей света и Земли и на этом основании оценил величину скорости света, получив значение довольно близкое к сегодняшнему. Таким образом, уже почти как 300 лет известно, что скорость света складывается векторно со скоростью приемника.*
2. Пусть свет распространяется в вакууме, но вблизи массивных тел, которые создают гравитационное поле. Что при движении света в условиях гравитации меняется его частота, достаточно хорошо известно. Но оказывается, что меняется и его скорость. Это было обнаружено 50 с лишним лет назад при радиолокации планет и носит название эффект Шапиро. Орбиты планет хорошо известны, многократно измерены. Можно послать радиолокационный сигнал от Земли к Венере и определить задержку, через которую он вернется. Отсюда без труда находиться скорость света. Оказалось, что если планеты расположены так, что сигнал проходит вблизи Солнца, то возникает вполне заметная дополнительная задержка. Она как раз связана с уменьшением скорости ЭМ волны в сильном гравитационном поле вблизи Солнца. Этот эффект имеет место быть и учитывается при наблюдении различных астрономических объектов, лучи света от которых проходят через сильное гравитационное поле, и при связи с космическими аппаратами.
3. Сконструируем такой прибор. Возьмем источник света и разделим его на два луча, и затем пустим эти лучи через систему зеркал примерно по кругу в разные стороны. (На рисунке лучи, движущиеся против и по часовой стрелке, показаны разным цветом и условно сдвинуты друг от друга.) Когда лучи вернутся в исходную точку, сравним их время распространения. Если вся эта конструкция неподвижна, то время распространения лучей по обоим направлениям равно.
Но теперь пусть вся эта конструкция вращается. Оказывается, что лучи ведут себя подобно гироскопу, их движение стремится сохраниться. А вот в этой новой вращающейся системе отсчета, связанной с этим прибором, скорости этих двух лучей окажутся разными. Причем время пробега одного луча можно найти как длина окружности L (для простоты будем считать, что лучи движутся примерно по окружности), деленной на скорость света C плюс скорость вращения V, т.е. t1=L/(C+V), а для другого луча, соответственно, получится t1=L/(C–V). Т.е. скорость света во вращающейся системе координат в одном направлении будет U1=C+V, а в другом U2=C–V.
Этот явление носит название эффект Саньяка и известно более 100 лет. Может показаться, что это какой-то редкий случай. Но это не так. На основе этого эффекта массово выпускаются приборы, именуемые оптическими гироскопами. Кстати, не такие они уж дорогие. Еще раз подчеркну – серийно выпускаются приборы, принцип действия которых основан на том, что свет распространяется с разной скоростью.
4. Вернемся к ЭМ волнам. У периодической синусоидальной волны есть такая характеристика, как длина волны L. Упрощенно говоря, это расстояние, через которое все в точности повторится. И есть период T, это промежуток времени, через которой все опять повториться. Нетрудно сообразить, что за период волна сместится как раз на длину волны, т.е. ее скорость C=L/T.
Для транспортировки так называемых микроволн (длина волны от миллиметров до десятков сантиметров, в микроволновой печи длина волны примерно 12 см) часто используются волноводы. Часто такой волновод представляет собой металлическую трубу прямоугольного сечения. Короткой отрезок такого волновода используется в микроволновых печках для передачи излучения от магнетрона, который является источником ЭМ волн, к камере, в которой разогревается еда (обычно выход волновода в камеру закрыть пластинкой из слюды). Не будем вдаваться в детальные расчеты и писать громоздкие формулы, волноводы описаны почти в любом учебнике по электродинамике. Дело в том, что в волноводе волна зажата стенками. Это приводит к тому, что вдоль волновода, в направлении распространения длина волны становиться больше, чем в свободном пространстве, Lв > L. Это то же хорошо известно, длину воны в волноводе не сложно измерить и такие измерения были проделаны неоднократно, есть прибор для их проведения, называется измерительная линия.
Но тогда скорость волны в волноводе будет больше, чем скорость света в вакууме: U = Lв/T > L/T. И это все есть в обычной микроволновке, ваша печка вполне демонстрирует сверхсветовые скорости, когда ЭМ волна идет от магнетрона в камеру.
Вот такие примеры, из которых всякий может сделать собственный выводы.**
-----------
* При наличии среды сложение скоростей становится не столь тривиальным, но об этом в следующий раз.
** Написано 01.04.2022, опубликовано 02.04.2022
Но давайте посмотрим на несколько примеров и выясним, а так ли это.
1. Еще со школы известно, что скорость является вектором. Т.е. скорость имеет направление и величину (модуль, абсолютное значение вектора). Например, пусть мимо перрона движется поезд со скоростью V. С перрона перпендикулярно поезду бросают шарик со скоростью C. На поезде хотят поймать этот шарик в трубку (диаметр которой лишь ненамного больше диаметра шарика) причем так, что бы шарик пролетел через трубку, не касаясь ее стенок. Вопрос – под каким углом надо установить трубку?
По отношению к поезду скорость шарика есть сумма векторов скорости перрона по отношению к поезду (это как раз вектор обратный вектору скорости поезда по отношению к перрону V) и вектора скорости шарика по отношению к перрону U=C+(–V). Отсюда без труда находим угол: tg(a)=C/V. Такого типа задачки встречаются часто, например, под каким углом надо плыть на лодке, что бы пересечь реку перпендикулярно берегу.
Аналогично происходит при астрономических наблюдениях. Пусть свет от некой звезды падает на Землю примерно перпендикулярно плоскости, в которой она вращается вокруг Солнца. Тогда направление, под которым надо установить телескоп, что бы эта звезда была в центре изображения, будет меняться в течение года. Это происходит из за того, что наша планета меняет свою скорость (в основном ее направление) при годичном движении. Т.е. здесь ситуация полностью аналогичная примеру с поездом и шариком. На рисунке C – скорость света, V – скорость Земли, обе относительно Солнечной системы. Тогда, как раз получается, что U – это скорость света по отношению к Земле. И вектор U никак не равен вектору C.
Это отклонение наблюдаемого положения светил, возникающее из-за движения Земли (из-за сложения скоростей Земли и света, идущего от них) называется звездная аберрация. Джеймс Брэдли обнаружил это явление без малого 300 лет назад. И тогда же интерпретировал его как результат сложения скоростей света и Земли и на этом основании оценил величину скорости света, получив значение довольно близкое к сегодняшнему. Таким образом, уже почти как 300 лет известно, что скорость света складывается векторно со скоростью приемника.*
2. Пусть свет распространяется в вакууме, но вблизи массивных тел, которые создают гравитационное поле. Что при движении света в условиях гравитации меняется его частота, достаточно хорошо известно. Но оказывается, что меняется и его скорость. Это было обнаружено 50 с лишним лет назад при радиолокации планет и носит название эффект Шапиро. Орбиты планет хорошо известны, многократно измерены. Можно послать радиолокационный сигнал от Земли к Венере и определить задержку, через которую он вернется. Отсюда без труда находиться скорость света. Оказалось, что если планеты расположены так, что сигнал проходит вблизи Солнца, то возникает вполне заметная дополнительная задержка. Она как раз связана с уменьшением скорости ЭМ волны в сильном гравитационном поле вблизи Солнца. Этот эффект имеет место быть и учитывается при наблюдении различных астрономических объектов, лучи света от которых проходят через сильное гравитационное поле, и при связи с космическими аппаратами.
3. Сконструируем такой прибор. Возьмем источник света и разделим его на два луча, и затем пустим эти лучи через систему зеркал примерно по кругу в разные стороны. (На рисунке лучи, движущиеся против и по часовой стрелке, показаны разным цветом и условно сдвинуты друг от друга.) Когда лучи вернутся в исходную точку, сравним их время распространения. Если вся эта конструкция неподвижна, то время распространения лучей по обоим направлениям равно.
Но теперь пусть вся эта конструкция вращается. Оказывается, что лучи ведут себя подобно гироскопу, их движение стремится сохраниться. А вот в этой новой вращающейся системе отсчета, связанной с этим прибором, скорости этих двух лучей окажутся разными. Причем время пробега одного луча можно найти как длина окружности L (для простоты будем считать, что лучи движутся примерно по окружности), деленной на скорость света C плюс скорость вращения V, т.е. t1=L/(C+V), а для другого луча, соответственно, получится t1=L/(C–V). Т.е. скорость света во вращающейся системе координат в одном направлении будет U1=C+V, а в другом U2=C–V.
Этот явление носит название эффект Саньяка и известно более 100 лет. Может показаться, что это какой-то редкий случай. Но это не так. На основе этого эффекта массово выпускаются приборы, именуемые оптическими гироскопами. Кстати, не такие они уж дорогие. Еще раз подчеркну – серийно выпускаются приборы, принцип действия которых основан на том, что свет распространяется с разной скоростью.
4. Вернемся к ЭМ волнам. У периодической синусоидальной волны есть такая характеристика, как длина волны L. Упрощенно говоря, это расстояние, через которое все в точности повторится. И есть период T, это промежуток времени, через которой все опять повториться. Нетрудно сообразить, что за период волна сместится как раз на длину волны, т.е. ее скорость C=L/T.
Для транспортировки так называемых микроволн (длина волны от миллиметров до десятков сантиметров, в микроволновой печи длина волны примерно 12 см) часто используются волноводы. Часто такой волновод представляет собой металлическую трубу прямоугольного сечения. Короткой отрезок такого волновода используется в микроволновых печках для передачи излучения от магнетрона, который является источником ЭМ волн, к камере, в которой разогревается еда (обычно выход волновода в камеру закрыть пластинкой из слюды). Не будем вдаваться в детальные расчеты и писать громоздкие формулы, волноводы описаны почти в любом учебнике по электродинамике. Дело в том, что в волноводе волна зажата стенками. Это приводит к тому, что вдоль волновода, в направлении распространения длина волны становиться больше, чем в свободном пространстве, Lв > L. Это то же хорошо известно, длину воны в волноводе не сложно измерить и такие измерения были проделаны неоднократно, есть прибор для их проведения, называется измерительная линия.
Но тогда скорость волны в волноводе будет больше, чем скорость света в вакууме: U = Lв/T > L/T. И это все есть в обычной микроволновке, ваша печка вполне демонстрирует сверхсветовые скорости, когда ЭМ волна идет от магнетрона в камеру.
Вот такие примеры, из которых всякий может сделать собственный выводы.**
-----------
* При наличии среды сложение скоростей становится не столь тривиальным, но об этом в следующий раз.
** Написано 01.04.2022, опубликовано 02.04.2022
no subject
Date: 2022-04-03 06:36 pm (UTC)Иногда приятно, что не зря я что-то писал/объяснял :)
no subject
Date: 2022-04-07 05:27 am (UTC)Можно иметь самые разные философские, теоретические представления, но они должны объяснять, как что-то работает. В противном случае, это будет чудом. Чудеса можно то же обсуждать, но тогда надо отдавать себе отчет, что это именно чудо:).
no subject
Date: 2022-04-09 06:23 am (UTC)1. К любому объяснению надо задать вопрос почему это так? Пяток таких вопросов последовательно приведёт к честному ответу «не знаю», т.е. наука пока не нашла объяснения. А всё, чему нет объяснения, считается чудом. Т.е. оказывается, что объяснение опирается на чудо (непознанное).
2. Любое объяснение работает лишь в определённой картине мира (модели). В другой уже не работает. Простые примеры: десяток интерпретаций эффектов квантовой физики; теории дальнодействия и близкодействия. Все они как-то работают, т.е. подтверждаются экспериментом.
Познание по-настоящему начинается только с сократовского «я знаю, что ничего не знаю, но другие не знают и этого». Наука опирается на сомнение. Верующие не сомневаются, у них нет чудес, т.к. всему есть объяснение :))
Так что ваш вопрос вполне может восприниматься как троллинг и проверка крепости веры оппонента в его объяснение.