ما السرعة التي يصل إليها الضوء في الفراغ؟ هل السرعة الفائقة ممكنة؟

لقد احتل الضوء دائمًا مكانًا مهمًا في بقاء الناس وخلقهم للحضارة المتطورة التي نراها اليوم. طوال تاريخ التطور البشري، أثارت سرعة الضوء عقول الفلاسفة وعلماء الطبيعة الأوائل، ثم العلماء والفيزيائيين. هذا هو الثابت الأساسي لوجود كوننا.

كثير من العلماء في أوقات مختلفةسعى لمعرفة كيف يكون انتشار الضوء في الوسائط المختلفة. أعلى قيمةلأن العلم كان حساب قيمة سرعة الضوء في الفراغ. ستساعدك هذه المقالة على فهم هذه المشكلة ومعرفة الكثير من الأشياء المثيرة للاهتمام حول كيفية تصرف الضوء في الفراغ.

الضوء ومسألة السرعة

يلعب الضوء دورا رئيسيا في الفيزياء الحديثة، لأنه، كما اتضح، من المستحيل التغلب على قيمة سرعته في هذه المرحلة من تطور حضارتنا. استغرق الأمر سنوات عديدة لقياس سرعة الضوء. قبل ذلك، أجرى العلماء الكثير من الأبحاث، محاولين الإجابة على معظمها سؤال مهم"ما هي سرعة انتشار الضوء في الفراغ؟"
على هذه اللحظةمع مرور الوقت، أثبت العلماء أن سرعة انتشار الضوء (SLP) لها الخصائص التالية:

• إنه ثابت.
• إنه غير قابل للتغيير.
• إنها بعيدة المنال.
• إنه محدود.

ملحوظة! تعد سرعة الضوء في الوقت الحالي من تطور العلم قيمة لا يمكن تحقيقها على الإطلاق. لدى الفيزيائيين بعض الافتراضات فقط حول ما يحدث لجسم يصل افتراضيًا إلى سرعة انتشار تدفق الضوء في الفراغ.

سرعة الضوء

لماذا من المهم جدًا مدى سرعة انتقال الضوء في الفراغ؟ الجواب بسيط. بعد كل شيء، الفراغ موجود في الفضاء. لذلك، بعد أن تعلمنا ما هو المؤشر الرقمي لسرعة الضوء في الفراغ، سنكون قادرين على فهم أقصى سرعة ممكنة يمكننا التحرك بها عبر المساحات النظام الشمسيوما بعدها.
الجسيمات الأولية التي تحمل الضوء في كوننا هي الفوتونات. والسرعة التي يتحرك بها الضوء في الفراغ تعتبر قيمة مطلقة.

ملحوظة! يشير SRS إلى سرعة حركة الموجات الكهرومغناطيسية. ومن المثير للاهتمام أن الضوء يظهر في نفس الوقت كجسيمات أولية (فوتونات) وموجة. وهذا يتبع من نظرية موجة الجسيمات. ووفقا لها، في حالات معينة يتصرف الضوء كجسيم، وفي حالات أخرى يتصرف كموجة.

في هذه المرحلة الزمنية، يعتبر انتشار الضوء في الفضاء (الفراغ) ثابتًا أساسيًا، ولا يعتمد على اختيار الإطار المرجعي بالقصور الذاتي المستخدم. تشير هذه القيمة إلى الثوابت الأساسية المادية. في هذه الحالة، تحدد قيمة SRS عمومًا الخصائص الأساسية لهندسة الزمكان.
تميز المفاهيم الحديثة SPC بأنه ثابت، وهو الحد الأقصى للقيمة المسموح بها لحركة الجزيئات، وكذلك انتشار تفاعلها. في الفيزياء يشار إلى هذه الكمية حرف لاتيني"مع".

تاريخ دراسة القضية

ومن المثير للدهشة أنه في العصور القديمة، حتى المفكرون القدماء تساءلوا عن توزيع الضوء في عالمنا. ثم كان يعتقد أن هذه كانت قيمة لا حصر لها. أول تقدير للظاهرة الفيزيائية لسرعة الضوء قدمه أولاف رومر فقط في عام 1676. ووفقا لحساباته، كان انتشار الضوء حوالي 220 ألف كيلومتر في الثانية.

ملحوظة! أعطى أولاف رومر قيمة تقريبية، ولكن، كما اتضح فيما بعد، ليست بعيدة جدًا عن القيمة الحقيقية.

تم تحديد القيمة الصحيحة للسرعة التي ينتقل بها الضوء في الفراغ بعد نصف قرن فقط من أولاف رومر. تمكن الفيزيائي الفرنسي أ.إ.ل. فيزو يجري تجربة خاصة.

تجربة فيزو

لقد كان قادرًا على قياس هذه الظاهرة الفيزيائية عن طريق قياس الوقت الذي يستغرقه شعاع للسفر في منطقة محددة ومقاسة بدقة.
بدت التجربة كالتالي:

• المصدر S ينبعث منه تدفق ضوئي؛
• انعكست من المرآة (3)؛
• وبعد ذلك، تم قطع تدفق الضوء باستخدام قرص مسنن (2)؛
• ثم اجتازت القاعدة التي كانت مسافة 8 كيلومترات؛
• بعد ذلك، انعكس تدفق الضوء بواسطة المرآة (1) وعاد إلى القرص.

أثناء التجربة، سقط تدفق الضوء في الفراغات الموجودة بين أسنان القرص، ويمكن ملاحظته من خلال العدسة (4). حدد فيزو زمن مرور الشعاع من خلال سرعة دوران القرص. ونتيجة لهذه التجربة حصل على القيمة c = 313300 كم/ث.
لكن هذه ليست نهاية البحث الذي خصص لهذه القضية. ظهرت الصيغة النهائية لحساب الثابت الفيزيائي بفضل العديد من العلماء ومن بينهم ألبرت أينشتاين.

أينشتاين والفراغ: نتائج الحساب النهائية

اليوم، يعرف كل شخص على وجه الأرض أن القيمة القصوى المسموح بها لحركة الأجسام المادية، وكذلك أي إشارات، تعتبر سرعة الضوء في الفراغ. وتبلغ القيمة الدقيقة لهذا المؤشر حوالي 300 ألف كيلومتر في الثانية. على وجه الدقة، تبلغ سرعة الضوء في الفراغ 299,792,458 م/ث.
نظرية ما لا يمكن تجاوزه قيمة معينة، طرحها الفيزيائي الشهير ألبرت أينشتاين في كتابه نظرية خاصةالنسبية أو SRT.

ملحوظة! تعتبر نظرية النسبية لأينشتاين راسخة حتى يظهر دليل حقيقي على أن نقل الإشارة ممكن بسرعات تتجاوز SPC في الفراغ.

النظرية النسبية لأينشتاين

لكن اليوم، اكتشف بعض الباحثين ظواهر قد تكون بمثابة شرط أساسي لإمكانية تغيير SRT الخاص بأينشتاين. في ظل ظروف معينة محددة خصيصًا، من الممكن مراقبة حدوث السرعات الفائقة للضوء. والشيء المثير للاهتمام هو أنه في هذه الحالة لم يتم انتهاك النظرية النسبية.

لماذا لا تستطيع التحرك أسرع من الضوء؟

اليوم هناك بعض المزالق في هذه القضية. على سبيل المثال، لماذا لا يمكن التغلب على ثابت تكلفة النقرة (CPC) في الظروف العادية؟ ووفقا للنظرية المقبولة، في هذه الحالة، سيتم انتهاك المبدأ الأساسي لبنية عالمنا، وهو قانون السببية. وهو يرى أن التأثير، بحكم تعريفه، غير قادر على التقدم على سببه. من الناحية المجازية، لا يمكن أن يسقط الدب ميتًا أولاً، وعندها فقط سيتم سماع طلقة الصياد الذي أطلق عليه النار. ولكن إذا تم تجاوز SRS، فيجب أن تبدأ الأحداث بالترتيب العكسي. ونتيجة لذلك، سيبدأ الوقت في التراجع.

إذن ما هي سرعة انتشار شعاع الضوء؟

وبعد العديد من الدراسات التي أجريت لتحديد القيمة الدقيقة لتكلفة النقرة (CPC)، تم الحصول على أرقام محددة. اليوم ج = 1,079,252,848.8 كيلومتر/ساعة أو 299,792,458 م/ث. وفي وحدات بلانك يتم تعريف هذه المعلمة على أنها وحدة. وهذا يعني أن الطاقة الضوئية تنتقل بمقدار وحدة طول واحدة بلانك خلال وحدة واحدة من زمن بلانك.

ملحوظة! هذه الأرقام صالحة فقط للظروف الموجودة في الفراغ.

صيغة لقيمة ثابت

ولكن في الفيزياء لأكثر من ذلك طريقة بسيطةلحل المشاكل، يتم استخدام قيمة مقربة - 300،000،000 م / ث.
هذه هي القاعدة في الظروف العاديةيتعلق بجميع الكائنات، بالإضافة إلى الأشعة السينية وموجات الجاذبية وموجات الضوء من الطيف المرئي لنا. بالإضافة إلى ذلك، أثبت العلماء أن الجسيمات ذات الكتلة يمكن أن تقترب من سرعة شعاع الضوء. لكنهم غير قادرين على الوصول إليه أو تجاوزه.

ملحوظة! السرعة القصوىتم الحصول عليها بالقرب من الضوء من خلال دراسة الأشعة الكونية المتسارعة في مسرعات خاصة.

ومن الجدير بالذكر أن هذا الثابت الفيزيائي يعتمد على الوسط الذي يقاس فيه وهو معامل الانكسار. ولذلك، قد يختلف مؤشره الفعلي حسب الترددات.

كيفية حساب قيمة الثابت الأساسي

اليوم هناك أساليب مختلفةتعريفات SRS يمكن أن يكون:

• الطرق الفلكية
• تحسين طريقة فيزو. هنا يتم استبدال عجلة التروس بمغير حديث.

ملحوظة! لقد أثبت العلماء أن مؤشرات SRS في الهواء وفي الفراغ هي نفسها تقريبًا. وهو أقل من الماء بحوالي 25%.

لحساب مقدار انتشار شعاع الضوء، استخدم الصيغة التالية.

صيغة لحساب سرعة الضوء

هذه الصيغة مناسبة لإجراء العمليات الحسابية في الفراغ.

خاتمة

الضوء في عالمنا مهم جدًا، واللحظة التي يتمكن فيها العلماء من إثبات إمكانية وجود سرعات فائقة السرعة يمكن أن تغير عالمنا المألوف تمامًا. ومن الصعب تقدير ما سيعنيه هذا الاكتشاف بالنسبة للناس. ولكن من المؤكد أن هذا سيكون إنجازا لا يصدق!

كيفية اختيار وتركيب أجهزة استشعار حجم الصوت تحكم تلقائىضوء
مصادر طاقة ترانزستور قابلة للتعديل محلية الصنع: التجميع والتطبيق العملي

دكتوراه في العلوم التقنية أ. جولوبيف.

في منتصف العام الماضي، ظهرت رسالة مثيرة في المجلات. اكتشف مجموعة من الباحثين الأمريكيين أن نبضة ليزر قصيرة جدًا تتحرك في وسط مختار خصيصًا أسرع بمئات المرات من الفراغ. بدت هذه الظاهرة مذهلة تمامًا (سرعة الضوء في الوسط تكون دائمًا أقل منها في الفراغ) بل إنها أثارت الشكوك حول صحة النظرية النسبية الخاصة. وفي الوقت نفسه، تم اكتشاف جسم مادي فائق السطوع - نبضة ليزر في وسط كسب - لأول مرة ليس في عام 2000، ولكن قبل 35 عامًا، في عام 1965، ونوقشت إمكانية الحركة فوق السطوع على نطاق واسع حتى أوائل السبعينيات. اليوم، اندلع النقاش حول هذه الظاهرة الغريبة بقوة متجددة.

أمثلة على الحركة "فائقة اللمعية".

في أوائل الستينيات، بدأ الحصول على نبضات ضوئية قصيرة عالية الطاقة عن طريق تمرير وميض ليزر عبر مضخم كمي (وسيط ذو كثافة معكوسة).

في وسط التضخيم، تسبب المنطقة الأولية لنبضة ضوئية انبعاثًا محفزًا للذرات في وسط المضخم، وتسبب منطقتها النهائية امتصاصها للطاقة. ونتيجة لذلك، سيبدو للمراقب أن النبض يتحرك أسرع من الضوء.

تجربة ليجون وونغ.

ينكسر شعاع الضوء الذي يمر عبر منشور مصنوع من مادة شفافة (على سبيل المثال، الزجاج)، أي أنه يعاني من التشتت.

النبضة الضوئية عبارة عن مجموعة من التذبذبات ذات الترددات المختلفة.

ربما يعلم الجميع - حتى الأشخاص البعيدين عن الفيزياء - أن أقصى سرعة ممكنة لحركة الأجسام المادية أو انتشار أي إشارات هي سرعة الضوء في الفراغ. ويشار إليه بالحرف معوتصل سرعتها إلى 300 ألف كيلومتر في الثانية تقريبًا؛ القيمة الدقيقة مع= 299,792,458 م/ث. تعتبر سرعة الضوء في الفراغ إحدى الثوابت الفيزيائية الأساسية. عدم القدرة على تحقيق سرعات تتجاوز مع، يتبع من نظرية النسبية الخاصة لأينشتاين (STR). إذا أمكن إثبات إمكانية إرسال الإشارات بسرعات فائقة السرعة، فسوف تسقط النظرية النسبية. ولم يحدث هذا حتى الآن، رغم المحاولات العديدة لدحض الحظر على وجود سرعات أكبر منها مع. ومع ذلك، كشفت الدراسات التجريبية الحديثة عن بعض الظواهر المثيرة للاهتمام، مما يشير إلى أنه في ظل ظروف تم إنشاؤها خصيصًا يمكن ملاحظة سرعات فائقة الضوء دون انتهاك مبادئ النظرية النسبية.

في البداية، دعونا نتذكر الجوانب الرئيسية المتعلقة بمشكلة سرعة الضوء. أولا: لماذا يستحيل (في الظروف العادية) تجاوز حد الضوء؟ لأنه يتم انتهاك القانون الأساسي لعالمنا - قانون السببية، والذي بموجبه لا يمكن للنتيجة أن تسبق السبب. لم يلاحظ أحد من قبل، على سبيل المثال، أن الدب سقط ميتًا أولاً ثم أطلق الصياد النار. بسرعات تتجاوز مع، يصبح تسلسل الأحداث معكوسًا، ويعود الشريط الزمني إلى الوراء. من السهل التحقق من ذلك من خلال المنطق البسيط التالي.

لنفترض أننا على متن سفينة فضائية معجزة، تتحرك بسرعة أكبر من الضوء. ثم نلحق تدريجياً بالضوء المنبعث من المصدر في أوقات سابقة وأقدم. أولاً، سنلحق بالفوتونات المنبعثة، على سبيل المثال، بالأمس، ثم تلك المنبعثة أول من أمس، ثم أسبوع، أو شهر، أو عام مضى، وهكذا. ولو كان مصدر الضوء مرآة تعكس الحياة، لرأينا أولاً أحداث الأمس، ثم أول أمس، وهكذا. يمكننا أن نرى، على سبيل المثال، رجلاً عجوزاً يتحول تدريجياً إلى رجل في منتصف العمر، ثم إلى شاب، إلى شاب، إلى طفل... أي أن الزمن سيعود إلى الوراء، وننتقل من الحاضر إلى الحاضر. الماضي. ومن ثم فإن الأسباب والنتائج سوف تتغير الأماكن.

على الرغم من أن هذه الحجة تتجاهل تماما تفاصيل تقنيةإن عملية مراقبة الضوء، من وجهة نظر أساسية، توضح بوضوح أن الحركة بسرعات فائقة السرعة تؤدي إلى وضع مستحيل في عالمنا. ومع ذلك، فقد وضعت الطبيعة شروطًا أكثر صرامة: لا يمكن تحقيق الحركة ليس فقط بسرعة فائقة، ولكن أيضًا بسرعة سرعة متساويةالضوء - لا يمكنك الاقتراب منه إلا. ويترتب على النظرية النسبية أنه عندما تزداد سرعة الحركة، تنشأ ثلاثة ظروف: زيادة كتلة جسم متحرك، وتناقص حجمه في اتجاه الحركة، وتباطأ تدفق الزمن على هذا الجسم (من النقطة وجهة نظر مراقب خارجي "يستريح"). عند السرعات العادية، تكون هذه التغييرات ضئيلة، ولكن مع اقترابها من سرعة الضوء تصبح أكثر وضوحًا، وفي الحد الأقصى - عند سرعة تساوي مع- تصبح الكتلة كبيرة بلا حدود، ويفقد الجسم حجمه تمامًا في اتجاه الحركة ويتوقف الزمن عليه. ولذلك لا يمكن لأي جسم مادي أن يصل إلى سرعة الضوء. فقط الضوء نفسه لديه مثل هذه السرعة! (وأيضًا جسيم "شامل الاختراق" - النيوترينو، الذي، مثل الفوتون، لا يمكنه التحرك بسرعة أقل من مع.)

الآن عن سرعة نقل الإشارة. ومن المناسب هنا استخدام تمثيل الضوء على شكل موجات كهرومغناطيسية. ما هي الإشارة؟ هذه بعض المعلومات التي يجب نقلها. الموجة الكهرومغناطيسية المثالية هي عبارة عن جيبية لا نهائية ذات تردد واحد فقط، ولا يمكنها حمل أي معلومات، لأن كل فترة من مثل هذه الجيوب الأنفية تكرر تمامًا الفترة السابقة. سرعة حركة مرحلة الموجة الجيبية - ما يسمى بسرعة الطور - يمكن في وسط تحت ظروف معينة أن تتجاوز سرعة الضوء في الفراغ. لا توجد قيود هنا، لأن سرعة الطور ليست سرعة الإشارة - فهي غير موجودة بعد. لإنشاء إشارة، تحتاج إلى إنشاء نوع من "العلامة" على الموجة. يمكن أن تكون هذه العلامة، على سبيل المثال، تغييرا في أي من معلمات الموجة - السعة أو التردد أو المرحلة الأولية. ولكن بمجرد وضع العلامة، تفقد الموجة جيبيتها. تصبح معدلة، وتتكون من مجموعة من الموجات الجيبية البسيطة بسعات وترددات ومراحل أولية مختلفة - مجموعة من الموجات. السرعة التي تتحرك بها العلامة في الموجة المعدلة هي سرعة الإشارة. عند الانتشار في وسط ما، تتزامن هذه السرعة عادةً مع سرعة المجموعة التي تميز انتشار مجموعة الموجات المذكورة أعلاه ككل (انظر "العلم والحياة" رقم 2، 2000). في الظروف العادية، تكون سرعة المجموعة، وبالتالي سرعة الإشارة، أقل من سرعة الضوء في الفراغ. وليس من قبيل الصدفة أن يتم استخدام عبارة "في الظروف العادية" هنا، لأنه في بعض الحالات يمكن أن تتجاوز سرعة المجموعة معأو حتى تفقد معناها، ولكنها بعد ذلك لا تتعلق بانتشار الإشارة. تثبت محطة الخدمة أنه من المستحيل إرسال إشارة بسرعة أكبر من مع.

لماذا هو كذلك؟ لأن هناك عائق أمام إرسال أي إشارة بسرعة أكبر من معيخدم نفس قانون السببية. دعونا نتخيل مثل هذا الموقف. في مرحلة ما، يقوم وميض الضوء (الحدث 1) بتشغيل جهاز يرسل إشارة راديو معينة، وفي نقطة بعيدة B، تحت تأثير إشارة الراديو هذه، يحدث انفجار (الحدث 2). من الواضح أن الحدث 1 (التوهج) هو السبب، والحدث 2 (الانفجار) هو النتيجة التي تحدث أسباب لاحقة. ولكن إذا انتشرت إشارة الراديو بسرعة فائقة، فإن المراقب بالقرب من النقطة B سيرى انفجارًا أولاً، وعندها فقط سيصل إليه بالسرعة معوميض من الضوء هو سبب الانفجار. بمعنى آخر، بالنسبة لهذا المراقب، كان الحدث 2 قد وقع قبل الحدث 1، أي أن التأثير كان سيسبق السبب.

ومن المناسب التأكيد على أن "الحظر الفائق" للنظرية النسبية يفرض فقط على حركة الأجسام المادية ونقل الإشارات. في العديد من المواقف، تكون الحركة بأي سرعة ممكنة، لكن هذه لن تكون حركة الأشياء أو الإشارات المادية. على سبيل المثال، تخيل اثنين من المسطرين الطويلين إلى حد ما يقعان في نفس المستوى، أحدهما يقع أفقيا، والآخر يتقاطع معه بزاوية صغيرة. إذا تم تحريك المسطرة الأولى للأسفل (في الاتجاه المشار إليه بالسهم) بسرعة عالية، فيمكن جعل نقطة تقاطع المسطرتين تسير بالسرعة المطلوبة، لكن هذه النقطة ليست جسمًا ماديًا. مثال آخر: إذا أخذت مصباحًا يدويًا (أو، على سبيل المثال، ليزر ينتج شعاعًا ضيقًا) ووصفت بسرعة قوسًا في الهواء، إذن السرعة الخطيةسيزداد شعاع الضوء مع المسافة وسيتجاوز مسافة كبيرة بما فيه الكفاية مع.ستتحرك بقعة الضوء بين النقطتين A وB بسرعة فائقة السرعة، لكن هذا لن يكون بمثابة إرسال إشارة من A إلى B، لأن بقعة الضوء هذه لا تحمل أي معلومات حول النقطة A.

يبدو أن مسألة السرعات الفائقة للضوء قد تم حلها. لكن في ستينيات القرن العشرين، طرح علماء الفيزياء النظرية فرضية وجود جسيمات فائقة السطوع تسمى التاكيونات. هذه جسيمات غريبة جدًا: فهي ممكنة من الناحية النظرية، ولكن لتجنب التناقضات مع النظرية النسبية، كان لا بد من تخصيص كتلة سكون خيالية لها. فيزيائياً، الكتلة الخيالية غير موجودة؛ إنها تجريد رياضي بحت. ومع ذلك، فإن هذا لم يسبب قلقا خاصا، لأن التاكيونات لا يمكن أن تكون في حالة راحة - فهي موجودة (إذا كانت موجودة!) فقط بسرعات تتجاوز سرعة الضوء في الفراغ، وفي هذه الحالة تبين أن كتلة التاكيون حقيقية. هناك بعض التشابه هنا مع الفوتونات: الفوتون لديه كتلة سكون صفر، ولكن هذا يعني ببساطة أن الفوتون لا يمكن أن يكون في حالة سكون، ولا يمكن إيقاف الضوء.

وتبين أن أصعب شيء هو، كما هو متوقع، التوفيق بين فرضية تاكيون وقانون السببية. المحاولات التي بذلت في هذا الاتجاه، على الرغم من كونها بارعة للغاية، إلا أنها لم تؤد إلى نجاح واضح. لم يتمكن أحد من تسجيل التاكيونات تجريبيًا أيضًا. ونتيجة لذلك، الاهتمام بالتاكيونات باعتبارها فائقة السطوع الجسيمات الأوليةتلاشى تدريجيا.

ومع ذلك، في الستينيات، تم اكتشاف ظاهرة تجريبية، والتي أربكت الفيزيائيين في البداية. تم وصف ذلك بالتفصيل في مقال بقلم A. N. Oraevsky "موجات فائقة السطوع في وسائط التضخيم" (UFN No. 12، 1998). سنلخص هنا جوهر الأمر بإيجاز، ونحيل القارئ المهتم بالتفاصيل إلى المقالة المحددة.

بعد فترة وجيزة من اكتشاف الليزر - في أوائل الستينيات - ظهرت مشكلة الحصول على نبضات ضوئية عالية الطاقة قصيرة (مدة حوالي 1 ns = 10 -9 s). وللقيام بذلك، تم تمرير نبضة ليزر قصيرة عبر مضخم كمي بصري. تم تقسيم النبض إلى قسمين بواسطة مرآة تقسيم الشعاع. تم إرسال أحدهما، وهو أقوى، إلى مكبر الصوت، والآخر تم نشره في الهواء وكان بمثابة نبض مرجعي يمكن من خلاله مقارنة النبض الذي يمر عبر مكبر الصوت. وتم تغذية كلا النبضتين إلى أجهزة الكشف الضوئي، ويمكن ملاحظة إشارات الخرج الخاصة بهما بصريًا على شاشة راسم الذبذبات. وكان من المتوقع أن تشهد النبضة الضوئية المارة عبر المضخم بعض التأخير فيها مقارنة بالنبضة المرجعية، أي أن سرعة انتشار الضوء في المضخم ستكون أقل منها في الهواء. تخيل دهشة الباحثين عندما اكتشفوا أن النبض ينتشر عبر مكبر الصوت بسرعة ليست فقط أكبر من الهواء، ولكن أيضًا أعلى بعدة مرات من سرعة الضوء في الفراغ!

بعد أن تعافى من الصدمة الأولى، بدأ الفيزيائيون في البحث عن سبب هذه النتيجة غير المتوقعة. لم يكن لدى أحد أدنى شك في مبادئ النظرية النسبية الخاصة، وهذا ما ساعد في العثور على التفسير الصحيح: إذا تم الحفاظ على مبادئ SRT، فيجب البحث عن الإجابة في خصائص الوسط المضخم.

وبدون الخوض في التفاصيل هنا، سنكتفي بالإشارة إلى ذلك تحليل تفصيليأوضحت آلية عمل الوسيط المعزز الموقف تمامًا. كانت النقطة هي التغير في تركيز الفوتونات أثناء انتشار النبضة - وهو التغير الناتج عن التغير في كسب الوسط إلى قيمة سالبة أثناء مرور الجزء الخلفي من النبضة، عندما يمتص الوسط بالفعل الطاقة، لأن احتياطيها الخاص قد تم استهلاكه بالفعل بسبب انتقاله إلى نبضة الضوء. ولا يسبب الامتصاص زيادة في الدفعة بل إضعافها، وبالتالي تقوى الدفعة في الجزء الأمامي وتضعف في الجزء الخلفي. لنتخيل أننا نرصد نبضة باستخدام جهاز يتحرك بسرعة الضوء في وسط مكبر الصوت. إذا كان الوسط شفافا، فسنرى الدافع متجمدا في حالة من عدم الحركة. وفي البيئة التي تحدث فيها العملية المذكورة أعلاه، فإن تقوية الحافة الأمامية وضعف الحافة الخلفية للنبضة سوف يظهر للراصد بشكل يبدو وكأن الوسط هو الذي حرك النبضة إلى الأمام. لكن بما أن الجهاز (الراصد) يتحرك بسرعة الضوء، والنبضة تتفوق عليه، فإن سرعة النبضة تتجاوز سرعة الضوء! هذا هو التأثير الذي سجله المجربون. وهنا لا يوجد حقًا تناقض مع النظرية النسبية: إن عملية التضخيم هي ببساطة بحيث يتبين أن تركيز الفوتونات التي خرجت سابقًا أكبر من تلك التي خرجت لاحقًا. ليست الفوتونات هي التي تتحرك بسرعات فائقة السرعة، ولكن غلاف النبضة، ولا سيما الحد الأقصى لها، هو الذي يتم ملاحظته على مرسمة الذبذبات.

وهكذا، في حين أنه في الوسائط العادية يوجد دائمًا ضعف في الضوء وانخفاض في سرعته، والذي يحدده مؤشر الانكسار، في وسائط الليزر النشطة لا يوجد فقط تضخيم للضوء، ولكن أيضًا انتشار النبض بسرعة فائقة السرعة.

حاول بعض علماء الفيزياء أن يثبتوا تجريبيًا وجود حركة فائقة السطوع أثناء تأثير النفق، وهي إحدى الظواهر المدهشة في ميكانيكا الكم. يتكون هذا التأثير من حقيقة أن الجسيمات الدقيقة (بتعبير أدق، الكائنات الدقيقة، موجودة في ظروف مختلفة(إظهار خواص الجسيمات والموجات) قادر على اختراق ما يسمى بالحاجز المحتمل - وهي ظاهرة مستحيلة تمامًا الميكانيكا الكلاسيكية(حيث يكون التشبيه هو الموقف التالي: الكرة التي يتم رميها على الحائط ستنتهي على الجانب الآخر من الجدار، أو سيتم نقل الحركة الشبيهة بالموجة المنقولة إلى حبل مربوط بالجدار إلى حبل مربوط به الجدار من الجانب الآخر). جوهر تأثير النفق في ميكانيكا الكم هو كما يلي. إذا صادف جسم دقيق له طاقة معينة في طريقه منطقة ذات طاقة وضع تزيد عن طاقة الجسم الصغير، فإن هذه المساحة تكون حاجزا له، ويتحدد ارتفاعها بفارق الطاقة. لكن الجسم الصغير "يتسرب" عبر الحاجز! تم منح هذه الإمكانية له من خلال علاقة عدم اليقين المعروفة لهايزنبرغ، والتي تم كتابتها للطاقة ووقت التفاعل. إذا حدث تفاعل جسم مجهري مع حاجز خلال فترة زمنية معينة إلى حد ما، فإن طاقة الجسم الدقيق، على العكس من ذلك، ستتسم بعدم اليقين، وإذا كان عدم اليقين هذا في حدود ارتفاع الحاجز، فإن هذا الأخير يتوقف عن أن يكون عقبة لا يمكن التغلب عليها أمام الكائن الصغير. أصبحت سرعة الاختراق عبر حاجز محتمل موضوع بحث لعدد من علماء الفيزياء، الذين يعتقدون أنه يمكن أن يتجاوز مع.

في يونيو 1998، عقدت ندوة دولية حول مشاكل الحركة الفائقة في كولونيا، حيث تمت مناقشة النتائج التي تم الحصول عليها في أربعة مختبرات - في بيركلي وفيينا وكولونيا وفلورنسا.

وأخيرا، في عام 2000، ظهرت تقارير عن تجربتين جديدتين ظهرت فيهما تأثيرات الانتشار الفائق للضوء. تم تنفيذ إحداها بواسطة ليجون وونغ وزملائه في معهد برينستون للأبحاث (الولايات المتحدة الأمريكية). والنتيجة هي أن دخول نبضة ضوئية إلى غرفة مملوءة ببخار السيزيوم يزيد من سرعتها بمقدار 300 مرة. اتضح أن الجزء الرئيسي من النبض خرج من الجدار البعيد للغرفة حتى قبل دخول النبض إلى الغرفة عبر الجدار الأمامي. وهذا الوضع لا يتعارض مع المنطق السليم فحسب، بل يتعارض في جوهره مع النظرية النسبية.

تسببت رسالة L. Wong في مناقشة مكثفة بين الفيزيائيين، ومعظمهم لم يميلوا إلى رؤية انتهاك لمبادئ النسبية في النتائج التي تم الحصول عليها. ويعتقدون أن التحدي يكمن في شرح هذه التجربة بشكل صحيح.

في تجربة L. Wong، كانت مدة نبضة الضوء التي تدخل الغرفة مع بخار السيزيوم حوالي 3 ميكروثانية. يمكن أن توجد ذرات السيزيوم في ستة عشر حالة ميكانيكية كمومية محتملة، تسمى "المستويات الفرعية المغناطيسية فائقة الدقة للحالة الأرضية". وباستخدام الضخ الضوئي بالليزر، تم جلب جميع الذرات تقريبًا إلى حالة واحدة فقط من هذه الحالات الستة عشر، وهو ما يتوافق مع درجة حرارة الصفر المطلق تقريبًا على مقياس كلفن (-273.15 درجة مئوية). وكان طول حجرة السيزيوم 6 سم. في الفراغ، ينتقل الضوء مسافة 6 سنتيمترات خلال 0.2 ns. كما أظهرت القياسات، مرت نبضة الضوء عبر الحجرة التي تحتوي على السيزيوم في وقت أقل بمقدار 62 ns مما كانت عليه في الفراغ. بمعنى آخر، الوقت الذي تستغرقه النبضة للمرور عبر وسط السيزيوم له علامة ناقص! في الواقع، إذا طرحنا 62 ns من 0.2 ns، نحصل على وقت "سلبي". هذا " تأخير سلبي"في الوسط - قفزة زمنية غير مفهومة - تساوي الوقت الذي تمر فيه النبضة 310 مرة عبر الحجرة في الفراغ. وكانت نتيجة هذه "الثورة الزمنية" أن النبضة الخارجة من الحجرة تمكنت من التحرك مسافة 19 مترًا منه قبل أن تصل النبضة الواردة إلى الجدار القريب للغرفة. كيف يمكن تفسير مثل هذا الوضع المذهل (ما لم نشك بالطبع في نقاء التجربة)؟

إذا حكمنا من خلال المناقشة الجارية، لم يتم العثور على تفسير دقيق حتى الآن، ولكن ليس هناك شك في أن خصائص التشتت غير العادية للوسط تلعب دورًا هنا: بخار السيزيوم، الذي يتكون من ذرات مثارة بواسطة ضوء الليزر، هو وسط ذو تشتت غير طبيعي . دعونا نتذكر بإيجاز ما هو عليه.

تشتت المادة هو اعتماد على معامل انكسار الطور (العادي). نعلى الطول الموجي للضوء l. وفي حالة التشتت الطبيعي، يزداد معامل الانكسار مع تناقص الطول الموجي، وهذا هو الحال في الزجاج والماء والهواء وجميع المواد الأخرى الشفافة للضوء. في المواد التي تمتص الضوء بقوة، ينعكس مسار معامل الانكسار مع تغير الطول الموجي ويصبح أكثر حدة: مع انخفاض l (زيادة التردد w)، ينخفض ​​معامل الانكسار بشكل حاد ويصبح أقل من الوحدة في منطقة معينة من الطول الموجي (سرعة المرحلة الخامسو> مع). هذا هو التشتت الشاذ، حيث يتغير نمط انتشار الضوء في المادة بشكل جذري. سرعة المجموعة الخامستصبح gr أكبر من سرعة الطور للموجات ويمكن أن تتجاوز سرعة الضوء في الفراغ (وتصبح سلبية أيضًا). يشير L. Wong إلى هذا الظرف باعتباره السبب الكامن وراء إمكانية تفسير نتائج تجربته. ولكن تجدر الإشارة إلى أن الشرط الخامسغرام> معهو شكلي بحت، حيث تم تقديم مفهوم سرعة المجموعة لحالة التشتت الصغير (العادي)، للوسائط الشفافة، عندما لا تغير مجموعة من الموجات شكلها تقريبًا أثناء الانتشار. في مناطق التشتت الشاذ، يتشوه نبض الضوء بسرعة ويفقد مفهوم السرعة الجماعية معناه؛ في هذه الحالة، يتم تقديم مفاهيم سرعة الإشارة وسرعة انتشار الطاقة، والتي تتزامن في الوسائط الشفافة مع سرعة المجموعة، وفي الوسائط ذات الامتصاص تظل أقل من سرعة الضوء في الفراغ. ولكن هذا هو الشيء المثير للاهتمام في تجربة وونغ: نبضة الضوء، التي تمر عبر وسط ذي تشتت غير طبيعي، لا تتشوه، بل تحتفظ بشكلها تمامًا! وهذا يتوافق مع الافتراض القائل بأن الدفعة تنتشر بسرعة جماعية. لكن إذا كان الأمر كذلك، فيتبين أنه لا يوجد امتصاص في الوسط، على الرغم من أن التشتت الشاذ للوسط يرجع بالتحديد إلى الامتصاص! وونج نفسه، رغم اعترافه بأن الكثير لا يزال غير واضح، يعتقد أن ما يحدث في إعداده التجريبي يمكن تفسيره بوضوح، للوهلة الأولى، على النحو التالي.

تتكون نبضة الضوء من العديد من المكونات ذات الأطوال الموجية (الترددات) المختلفة. ويبين الشكل ثلاثة من هذه المكونات (الموجات 1-3). عند نقطة ما، تكون الموجات الثلاث في الطور (تتطابق الحدود القصوى لها)؛ هنا، يضيفون، يعززون بعضهم البعض ويشكلون دفعة. ومع انتشارها في الفضاء، تصبح الموجات متوقفة وبالتالي "يلغي" بعضها البعض.

وفي منطقة التشتت الشاذ (داخل خلية السيزيوم)، تصبح الموجة الأقصر (الموجة 1) أطول. وعلى العكس من ذلك، فإن الموجة التي كانت الأطول بين الموجات الثلاثة (الموجة 3) تصبح الأقصر.

وبالتالي تتغير أطوار الموجات تبعا لذلك. وبمجرد مرور الموجات عبر خلية السيزيوم، يتم استعادة مقدماتها الموجية. بعد أن خضعت لتعديل طور غير عادي في مادة ذات تشتت غير طبيعي، فإن الموجات الثلاث المعنية تجد نفسها مرة أخرى في طور في مرحلة ما. هنا تتجمع مرة أخرى وتشكل نبضة بنفس الشكل تمامًا مثل تلك التي تدخل وسط السيزيوم.

عادة في الهواء، وفي الواقع في أي وسط شفاف ذي تشتت عادي، لا يمكن لنبضة الضوء أن تحافظ على شكلها بدقة عند الانتشار على مسافة بعيدة، أي أنه لا يمكن أن يتم تنفيذ جميع مكوناتها على مراحل عند أي نقطة بعيدة على طول مسار الانتشار. وفي الظروف العادية، تظهر نبضة خفيفة في هذه النقطة البعيدة بعد مرور بعض الوقت. ومع ذلك، نظرا للخصائص الشاذة للوسيط المستخدم في التجربة، فقد تبين أن النبض عند نقطة نائية يتم مراحله بنفس الطريقة عند دخول هذه الوسيلة. وهكذا فإن النبضة الضوئية تتصرف كما لو أن لها تأخيراً زمنياً سالباً في طريقها إلى نقطة بعيدة، أي أنها ستصل إليها ليس متأخراً، بل أبكر من مرورها عبر الوسط!

يميل معظم الفيزيائيين إلى ربط هذه النتيجة بظهور مادة أولية منخفضة الشدة في الوسط المشتت للغرفة. والحقيقة هي أنه أثناء التحلل الطيفي للنبضة، يحتوي الطيف على مكونات ذات ترددات عالية بشكل تعسفي ذات سعة صغيرة لا تذكر، ما يسمى بالسلائف، التي تسبق "الجزء الرئيسي" من النبضة. تعتمد طبيعة النشأة وشكل المادة الأولية على قانون التشتت في الوسط. ومع أخذ ذلك في الاعتبار، يُقترح تفسير تسلسل الأحداث في تجربة وونغ على النحو التالي. الموجة القادمة، "تمتد" النذير أمامها، تقترب من الكاميرا. وقبل أن تضرب ذروة الموجة الواردة الجدار القريب من الحجرة، يبدأ ظهور نبضة في الحجرة، تصل إلى الجدار البعيد وتنعكس عنه، لتشكل "موجة عودة". هذه الموجة تنتشر أسرع 300 مرة مع، يصل إلى الجدار القريب ويلتقي بالموجة القادمة. تلتقي قمم إحدى الموجات مع قيعان موجة أخرى، بحيث تدمر بعضها البعض، ونتيجة لذلك لا يتبقى شيء. وتبين أن الموجة الواردة "تسدد الدين" لذرات السيزيوم، التي "أعطتها" الطاقة في الطرف الآخر من الغرفة. أي شخص شاهد فقط بداية التجربة ونهايتها لن يرى سوى نبضة من الضوء "تقفز" للأمام في الوقت المناسب، وتتحرك بشكل أسرع مع.

يعتقد L. Wong أن تجربته لا تتفق مع النظرية النسبية. ويعتقد أن القول بعدم إمكانية الوصول إلى السرعة الفائقة للضوء ينطبق فقط على الأجسام ذات الكتلة الساكنة. ويمكن تمثيل الضوء إما على شكل موجات، والتي لا ينطبق عليها مفهوم الكتلة بشكل عام، أو على شكل فوتونات لها كتلة ساكنة، كما هو معروف، تساوي الصفر. ولذلك فإن سرعة الضوء في الفراغ، بحسب وونغ، ليست هي الحد الأقصى. ومع ذلك، يعترف وونغ بأن التأثير الذي اكتشفه لا يجعل من الممكن نقل المعلومات بسرعة أكبر من مع.

يقول بي. ميلوني، عالم الفيزياء في مختبر لوس ألاموس الوطني في الولايات المتحدة: «المعلومات هنا موجودة بالفعل في الحافة الأمامية للنبضة، ويمكن أن تعطي الانطباع بإرسال المعلومات بشكل أسرع من الضوء، حتى عندما تقوم بذلك لا يرسلونها."

يعتقد معظم علماء الفيزياء ذلك عمل جديدلا يوجه ضربة ساحقة للمبادئ الأساسية. لكن ليس كل الفيزيائيين يعتقدون أن المشكلة قد تم حلها. ويعتقد البروفيسور أ. رانفاني، من مجموعة الأبحاث الإيطالية التي أجرت تجربة أخرى مثيرة للاهتمام في عام 2000، أن السؤال لا يزال مفتوحا. اكتشفت هذه التجربة، التي أجراها دانيال موغناي وأنيديو رانفاني وروكو روجيري، أن موجات الراديو ذات الموجات السنتيمترية في الهواء العادي تنتقل بسرعات تتجاوز معبنسبة 25%.

لتلخيص، يمكننا أن نقول ما يلي. يعمل السنوات الأخيرةأظهر أنه في ظل ظروف معينة يمكن أن تحدث سرعة فائقة السرعة بالفعل. ولكن ما الذي يتحرك بالضبط بسرعات فائقة السرعة؟ النظرية النسبية، كما ذكرنا سابقًا، تحظر مثل هذه السرعة بالنسبة للأجسام المادية والإشارات التي تحمل المعلومات. ومع ذلك، فإن بعض الباحثين يحاولون باستمرار إثبات التغلب على حاجز الضوء المخصص للإشارات. والسبب في ذلك يكمن في حقيقة أنه في النظرية النسبية الخاصة لا يوجد أي مبرر رياضي صارم (يعتمد، على سبيل المثال، على معادلات ماكسويل للمجال الكهرومغناطيسي) لاستحالة إرسال الإشارات بسرعات أكبر من مع. يمكن للمرء أن يقول أن مثل هذه الاستحالة في STR تم إثباتها بطريقة حسابية بحتة، استنادًا إلى صيغة أينشتاين لإضافة السرعات، ولكن هذا ما يؤكده بشكل أساسي مبدأ السببية. أينشتاين نفسه، فيما يتعلق بمسألة نقل الإشارات فائقة السطوع، كتب أنه في هذه الحالة "... نحن مضطرون إلى الافتراض آلية ممكنةإرسال إشارة يكون فيها التأثير المتحقق يسبق السبب. ولكن، على الرغم من أن هذه النتيجة من وجهة نظر منطقية بحتة لا تحتوي، في رأيي، على أي تناقضات، إلا أنها لا تزال مناقضة لطبيعة تجربتنا بأكملها لدرجة أن استحالة افتراض الخامس > قيبدو أنه مثبت بما فيه الكفاية." إن مبدأ السببية هو حجر الزاوية الذي يكمن وراء استحالة نقل الإشارات فائقة السطوع. وعلى ما يبدو، فإن جميع عمليات البحث عن إشارات فائقة السطوع دون استثناء سوف تتعثر حول هذا الحجر، بغض النظر عن مدى رغبة المجربين في اكتشاف مثل هذه الإشارات. إشارات، فهذه هي طبيعة عالمنا.

في الختام، يجب التأكيد على أن كل ما سبق ينطبق على وجه التحديد على عالمنا، إلى عالمنا. تم إنشاء هذا الشرط بسبب مؤخرافي الفيزياء الفلكية وعلم الكونيات، تظهر فرضيات جديدة تسمح بوجود العديد من الأكوان المخفية عنا والمتصلة بأنفاق طوبولوجية - قافزات. وجهة النظر هذه يشاركها، على سبيل المثال، عالم الفيزياء الفلكية الشهير ن.س. بالنسبة للمراقب الخارجي، تتم الإشارة إلى مداخل هذه الأنفاق بواسطة مجالات الجاذبية الشاذة، مثل الثقوب السوداء. إن الحركات في مثل هذه الأنفاق، كما يقترح واضعو الفرضيات، ستجعل من الممكن تجاوز الحد من سرعة الحركة التي تفرضها سرعة الضوء في الفضاء العادي، وبالتالي تحقيق فكرة الخلق آلة الزمن... من الممكن أن يحدث شيء غير عادي بالنسبة لنا في مثل هذه الأكوان. وعلى الرغم من أن هذه الفرضيات في الوقت الحالي تذكرنا أيضًا بقصص من الخيال العلميفمن غير المرجح أن يرفض المرء بشكل قاطع الاحتمال الأساسي لنموذج متعدد العناصر لبنية العالم المادي. شيء آخر هو أن كل هذه الأكوان الأخرى، على الأرجح، ستبقى بناءات رياضية بحتة لعلماء الفيزياء النظرية الذين يعيشون في عالمنا ويحاولون بقوة أفكارهم العثور على عوالم مغلقة أمامنا...

راجع الموضوع في نفس الموضوع

سرعة الضوء هي كمية القياس الأكثر غرابة المعروفة حتى الآن. أول من حاول تفسير ظاهرة انتشار الضوء هو ألبرت أينشتاين. كان هو الذي توصل إلى الصيغة المعروفة ه = مولودية² ، أين ههي الطاقة الإجمالية للجسم، م- الكتلة و ج- سرعة الضوء في الفراغ .

نُشرت الصيغة لأول مرة في مجلة Annalen der Physik في عام 1905. وفي نفس الوقت تقريبًا، طرح أينشتاين نظرية حول ما يمكن أن يحدث لجسم يتحرك بسرعة مطلقة. واستنادا إلى حقيقة أن سرعة الضوء هي كمية ثابتة، فقد توصل إلى استنتاج مفاده أن المكان والزمان يجب أن يتغيرا.

وهكذا، عند سرعة الضوء، سوف يتقلص الجسم إلى ما لا نهاية، وستزداد كتلته إلى ما لا نهاية، وسيتوقف الزمن عمليًا.

في عام 1977، كان من الممكن حساب سرعة الضوء، وتم تحديد الرقم على أنه 299,792,458 ± 1.2 متر في الثانية. لإجراء حسابات أكثر تقريبية، يُفترض دائمًا أن القيمة تبلغ 300000 كم/ثانية. ومن هذه القيمة ترتكز جميع الأبعاد الكونية الأخرى. هكذا يكون المفهوم" سنة ضوئية" و"الفرسخ الفلكي" (3.26 سنة ضوئية).

من المستحيل التحرك بسرعة الضوء، ناهيك عن التغلب عليها. على الأقل في هذه المرحلة من التطور البشري. ومن ناحية أخرى، يحاول كتاب الخيال العلمي حل هذه المشكلة على صفحات رواياتهم منذ حوالي 100 عام. ربما يصبح الخيال العلمي يومًا ما حقيقة، لأنه في القرن التاسع عشر، تنبأ جول فيرن بظهور المروحية والطائرة والكرسي الكهربائي، وكان حينها خيالًا علميًا خالصًا!

على الرغم من أنه من النادر أن يحسب أي شخص في الحياة اليومية سرعة الضوء بشكل مباشر، إلا أن الاهتمام بهذه المشكلة يتجلى في مرحلة الطفولة. والمثير للدهشة أننا جميعًا نواجه علامة ثابت سرعة انتشار الموجات الكهرومغناطيسية كل يوم. إن سرعة الضوء هي الكمية الأساسية التي بفضلها يوجد الكون بأكمله كما نعرفه تمامًا.

من المؤكد أن الجميع، الذين شاهدوا في مرحلة الطفولة وميض البرق وتصفيق الرعد اللاحق، حاولوا فهم سبب التأخير بين الظاهرة الأولى والثانية. أدى التفكير العقلي البسيط بسرعة إلى نتيجة منطقية: سرعة الضوء والصوت مختلفة. هذه هي المقدمة الأولى لكميتين فيزيائيتين مهمتين. في وقت لاحق تلقى شخص ما المعرفة اللازمةويمكن أن يفسر بسهولة ما كان يحدث. ما الذي يسبب السلوك الغريب للرعد؟ الجواب هو أن سرعة الضوء التي تبلغ حوالي 300 ألف كم/ث، أعلى بمليون مرة تقريبًا من سرعة انتشاره في الهواء (330 م/ث). لذلك يرى الإنسان أولاً من البرق وبعد فترة فقط يسمع هدير الرعد. على سبيل المثال، إذا كان هناك كيلومتر واحد من مركز الزلزال إلى الراصد، فإن الضوء سيغطي هذه المسافة خلال 3 ميكروثانية، لكن الصوت سيستغرق ما يصل إلى 3 ثوانٍ. بمعرفة سرعة الضوء وزمن التأخير بين الوميض والرعد يمكنك حساب المسافة.

وقد بذلت محاولات لقياسه لفترة طويلة. من المضحك الآن أن نقرأ عن التجارب التي تم إجراؤها، ولكن في تلك الأوقات البعيدة، قبل ظهور الأدوات الدقيقة، كان كل شيء أكثر من جدية. في محاولات لمعرفة ما هي سرعة الضوء، تم إجراء دراسة واحدة تجربة مثيرة للاهتمام. في أحد طرفي عربة قطار سريع الحركة كان هناك رجل يحمل كرونومترًا دقيقًا، وعلى الجانب الآخر قام مساعده في الفريق بفتح مصراع المصباح. وفقًا للفكرة، كان من المفترض أن يتيح الكرونومتر تحديد سرعة انتشار فوتونات الضوء. علاوة على ذلك، فمن خلال تغيير موضع المصباح والكرونومتر (مع الحفاظ على اتجاه حركة القطار)، سيكون من الممكن معرفة ما إذا كانت سرعة الضوء ثابتة، أو ما إذا كان من الممكن زيادتها أو تقليلها (اعتمادًا على الوقت). اتجاه الشعاع، من الناحية النظرية، يمكن لسرعة القطار أن تؤثر على السرعة المقاسة في التجربة). بالطبع، كانت التجربة فاشلة، لأن سرعة الضوء والتسجيل بواسطة الكرونومتر لا تضاهى.

لأول مرة، تم إجراء القياس الأكثر دقة في عام 1676 بفضل ملاحظات أولاف رومر الذي لاحظ أن المظهر الفعلي لأيو والبيانات المحسوبة اختلف بمقدار 22 دقيقة. ومع اقتراب الكواكب، انخفض التأخير. وبمعرفة المسافة أصبح من الممكن حساب سرعة الضوء. وكانت السرعة حوالي 215 ألف كيلومتر في الثانية. بعد ذلك، في عام 1926، لفت د. برادلي الانتباه إلى أحد الأنماط أثناء دراسته للتغيرات في المواضع الظاهرية للنجوم (الانحراف). تغير موقع النجم حسب الوقت من السنة. وبالتالي فإن موقع الكوكب بالنسبة للشمس كان له تأثير. يمكن إجراء تشبيه - قطرات المطر. وبدون الرياح، فإنها تطير عموديًا إلى الأسفل، ولكن بمجرد أن تركض، يتغير مسارها الظاهري. وبمعرفة سرعة دوران الكوكب حول الشمس أمكن حساب سرعة الضوء. وبلغت سرعتها 301 ألف كيلومتر في الثانية.

في عام 1849، أجرى A. Fizeau التجربة التالية: بين مصدر الضوء والمرآة، على مسافة 8 كم، كان هناك دوران، وزادت سرعة دورانه حتى تحول تدفق الضوء المنعكس إلى ثابت (غير وميض). أعطت الحسابات 315 ألف كم / ثانية. وبعد ثلاث سنوات، استخدم فوكو مرآة دوارة وحصل على سرعة 298 ألف كيلومتر في الثانية.

أصبحت التجارب اللاحقة أكثر دقة، مع الأخذ في الاعتبار الانكسار في الهواء، وما إلى ذلك. حاليا، البيانات التي تم الحصول عليها باستخدام ساعات السيزيوم و شعاع الليزر. وبحسبهم تساوي 299 ألف كيلومتر في الثانية.

يتراوح الحد الأقصى للسرعة على معظم الطرق السريعة بين 90 و110 كيلومترًا. على الرغم من عدم وجود علامات طريق في فراغ الفضاء الخارجي، إلا أن هناك حدًا للسرعة هناك أيضًا - وهو 1080000000 كيلومتر في الساعة.

أعلى سرعة في الطبيعة

هذه هي أسرع سرعة للضوء في الطبيعة. عادة ما يعطي العلماء سرعة الضوء بالكيلومترات في الثانية - 300000 كيلومتر في الثانية. يتكون الضوء من الفوتونات. إنهم هم الذين يمكنهم الطيران بهذه السرعات المجنونة.

جسيمات غريبة - الفوتونات

يطلق العلماء على الفوتونات اسم الجسيمات. لكن هذه جزيئات غريبة جدًا. ليس لديهم كتلة راحة، أي بالمعنى المعتاد ليس لديهم وزن. من الصعب أن نتخيل شيئًا حقيقيًا جدًا يمكن أن يكون طاقة نقية ولا يحتوي على ذرة واحدة من المادة. الفوتونات هي حقيقة واقعة. قارن السرعة القصوى للفوتونات بتلك السرعات التي اعتدنا على اعتبارها عالية.

سفينة فضائيةالطيران بسرعة الضوء لن يكون له أبعاد خطية بالنسبة لمراقب خارجي. خذ على سبيل المثال صاروخ بايونير المصمم للطيران خارج النظام الشمسي. لذا، عند مغادرة النظام الشمسي، كانت سرعة بايونير 60 كيلومترًا في الثانية. ليس سيئًا! يمكنه قطع المسافة من نيويورك إلى سان فرانسيسكو في دقيقة ونصف. لكن بالمقارنة مع سرعة الفوتون البالغة 300 ألف كيلومتر في الثانية، فإن سرعة بايونير تبدو وكأنها سرعة الحلزون. أو دعونا نرى مدى سرعة تحرك الشمس عبر الفضاء.

مواد ذات صلة:

لماذا تتألق النجوم؟

ولكن في الوقت الذي تقرأ فيه هذه الجملة، تدور الشمس والأرض والكواكب الثمانية الأخرى في نظامنا الشمسي درب التبانة، مثل الخيول الدائرية، بسرعة 230 كيلومترًا في الثانية (وفي الوقت نفسه، نحن أنفسنا لا نلاحظ حتى أننا نطير بهذه السرعة المذهلة). لكن هذه السرعة الهائلة صغيرة جدًا مقارنة بسرعة الضوء وتبلغ حوالي واحد بالمائة.

سرعة الضوء والأشياء

إذا قمت بتسريع جسم عادي إلى سرعة الضوء تقريبًا، فستبدأ مغامرات غير عادية بالحدوث له. وعندما يصل الجسم إلى هذه السرعات، سيلاحظ الراصد تغيرًا في الأبعاد الخطية للجسم وكتلته. حتى الوقت سوف يبدأ في التغيير. إن المركبة الفضائية التي تسير بسرعة 90 بالمائة من سرعة الضوء سوف يتقلص حجمها بمقدار النصف تقريبًا. ومع زيادة السرعة، فإنها تتناقص أكثر فأكثر حتى تصل إلى سرعة الضوء، وتفقد أبعادها الخطية تمامًا.