Одинакова ли скорость света на Земле и других планетах?
Может ли скорость света быть ниже или выше 300 000 км/с, чем скорость света отличается от скорости звука и всегда ли скорость света остается постоянной величиной
На Земле, мы с детства привыкли к двум в общем-то схожим понятиям: скорость света и скорость звука. Чисто на бытовом уровне, мы различаем их примерно так – скорость звука это быстро, а скорость света – очень-очень быстро. И в принципе, для того, чтобы объяснить разницу между скоростями звука и света ребенку, этой информации оказывается вполне достаточно.
Однако, несмотря на то, что в обоих случаях мы говорим вроде бы как о вещах одного порядка (скорости), природа обоих явлений отличается друг от друга. И когда начинаешь задумываться об этом на уровне абстракций, появляются интересные вопросы. К примеру, многие знают любопытный факт – не смотря на то, что вода гораздо плотнее воздуха, звук под водой распространяется гораздо быстрее, чем на поверхности (по этой причине, дельфины не “тормозят” посылая друг другу сигналы даже на очень больших дистанциях).
А вот запаздывает (или ускоряется) ли свет под водой? Иными словами – изменяется ли скорость света в зависимости от условий среды на Земле или… на других планетах? Попробуем разобраться.
Что такое скорость звука и от чего она зависит
Звук представляет собой чисто физическое явление, волновые колебания любой материальной среды. Соответственно, звуковые волны могут распространяться только в какой-то среде (в газах, жидкостях, твердых телах или даже в плазме, но никогда в вакууме, т.е. пустоте).
Скорость звуковой волны будет зависеть от физических свойств среды: плотности, температуры и ряда других свойств, наподобие ли других более сложных величин (таких как показатель адиабаты или коэффициент жесткости). Отсюда простой вывод – скорость звука, это величина не постоянная и применимая только к конкретным условиям.
Для простоты, принято считать, что средняя скорость звука равна 1235 км/ч (340 м/с). Но это показатель применим исключительно к воздушной среде и температуре +30 градусов по Цельсию. А вот под водой средняя скорость звука составит целых 5400 км/ч (1500 м/с)!
На первый взгляд это парадокс, но если задуматься, то все становится на свои места: вода плотнее, чем воздух, вот и скорость распространения колебаний в ней выше. Чем более разреженной является среда – тем скорость звука в ней будет ниже, пока не упадет до 0 км/ч в вакууме.
Таким образом, по скорости звука можно делать выводы о расстоянии которое звук прошел если известна плотность среды (по этому принципу работают “радары” дельфинов и летучих мышей) и наоборот, замеряя скорость отраженной звуковой волны и зная расстояние, можно определить физические свойства материала через которое прошел звук. Этот принцип лежит в исследовании недр Земли с помощью подземных взрывов.
А что на других планетах?
Легко предположить, что на Венере, где атмосфера обладает невероятной плотностью, звук будет распространятся гораздо быстрее, чем на Земле. А вот атмосфера Марса, напротив, способствует неспешным разговорам – она очень тонкая и звуковые колебания будут идти гораздо медленнее.
Может ли изменяться скорость света?
Свет – это тоже волна, но электромагнитная волна, т.е. колебания электромагнитного поля, существующие независимо от материи. Следовательно, свет легко может перемещаться даже в пустоте (в вакууме).
В общей теории относительности скорость света является универсальной постоянной c=300 000 км/с (с небольшим округлением от 299 792 458 м/с). Однако, надо понимать – как и в случае со скоростью звука, реальная скорость света не всегда остается строго постоянной и на неё тоже влияет среда, через которую проходит свет. Правда, несколько иначе.
Одним из свойств любой среды, является её относительная диэлектрическая проницаемость (значение которого всегда больше 1), и вычисляя скорость света в какой-то среде, обычно мы просто делим её на квадратный корень относительной диэлектрической проницаемости. Таким образом, новая скорость всегда будет меньше, чем c скорость света в вакууме.
В случае видимого света и полупрозрачных сред для удобства мы определяем “показатель преломления” n среды как квадратный корень из относительной диэлектрической проницаемости (значение, равное или большее 1).
В этом случае скорость света в среде будет равна c/n (и всегда меньше, чем скорость света в вакууме), а значение n получается экспериментально для разных сред и считается постоянным.
Например, показатель преломления n будет равен:
- n=1 для вакуума (скорость света 299 793 км/с)
- n=1,0003 для атмосферного воздуха при стандартном давлении и температуре (скорость света 299 704 км/с)
- n=1,31 для льда (скорость света 228 782 км/с)
- n=1,33 для воды (скорость света 225 341 км/с)
- n=1,5 для стекла (скорость света 199 803 км/с)
- n=1,54 для кварца (194 613 км/с)
- n=1,76 для рубина (170 386 км/с)
- n=2,42 для алмаза (123 845 км/с)
Таким образом, фактически мы имеем не одно, а сразу два понятия называющихся скоростью света:
- Универсальную физическую постоянную применяемую для расчетов в физике (300 000 км/ч), пригодную для подсчетов гигантских расстояний между планетами и звездами по причине того, что в космосе их разделяет только вакуум, ничуть не изменяющий скорость света.
- Реальную, “фактическую” скорость света, изменяемую конкретной средой, через которую проходит свет. Она легко может быть меньше и даже существенно меньше эталонной скорости света в вакууме.
Окажись мы на другой планете, нам пришлось бы иметь дело как раз с реальной скоростью света, которая зависит от показателя преломления среды, составляющей атмосферу или океаны планеты (газа, жидкости или твердого тела). К счастью, современная наука позволяет легко рассчитать эти значения заранее, если мы знаем состав и свойства этой планеты.
Может ли быть скорость выше скорости света?
Когда речь идет о современных реактивных самолетах или ракетах, нередко можно услышать о таких понятиях как “две скорости звука”, “пять скоростей звука” и т.п. То есть сама по себе скорость звука не является каким-то пределом, только лишь единицей измерения. Она обозначается как 1Мах = 1235 км/ч и зная, к примеру, что истребитель МиГ-31 может двигаться со скоростью 3000 км/ч, легко подсчитать, что в “махах” его скорость составит 2,43, то есть будет превосходить скорость звука в 2,43 раза.
Скорость света отличается от скорости звука тем, что это предельная величина. Потому что не бывает скорости равной “двум скоростям света” и даже скорости превосходящей скорость света на 0,5% тоже не бывает. Более того – кроме света, ничто более во вселенной не может набрать скорость сопоставимую с 300 000 км/ч.
Исследователи выявили – как бы мы не разгоняли любую материальную частицу (т.е. обладающая массой), она может лишь приблизиться к скорости светового луча, но никогда не может догнать ее и тем более превысить. Максимальная скорость света действительно оказывается постоянной величиной.
Может ли скорость света быть ниже скорости света?
На этот вопрос мы уже ответили ранее – распространяясь в какой-то среде отличной от вакуума, скорость света может существенно снижаться и падать даже до половины “нормальной” скорости света.
Но… не перестает ли при этом свет быть светом? На самом деле, ответить на этот вопрос очень легко, если представить себе прохождение солнечного луча в атмосфере нашей планеты.
Белый световой луч входит в атмосферу и сразу же сталкивается с препятствиями: пылью, водяными каплями и т.п. Что происходит с лучом? Он начинает терять скорость, часть его спектра поглощается и … мы видим синее небо. Вот солнце клонится к закату, лучам приходится проходить уже через более плотный атмосферный слой и… мы наслаждаемся красным заревом заката. Но вот мы закрываем глаза и полностью останавливаем скорость света, замедляя её почти до нуля. И наступает темнота, света уже нет.
Вот так запросто определить скорость света визуально, без всяких приборов – белый свет самый “быстрый”, голубой – гораздо медленнее, красный – самый медленный, а как только наступает темнота – скорость света стремится к нулю.
Всегда ли скорость света была постоянной величиной?
Вселенная существует уже 14,5 миллиардов лет. Всегда ли действовал этот физический закон: скорость света равна 300 000 км/с и не может быть превышена?
Наблюдая за самыми дальними объектами космоса, мы можем сделать вполне однозначные выводы: скорость света была постоянной всегда.
Все проводимые учеными измерения лишь подтверждают это правило: изменения не превосходят колебания в пределах 7% от текущего значения за последние 13,7 млрд лет. Если бы по какой-то из этих метрик скорость света оказалась не постоянной, или же она отличалась бы у разных типов света, это привело бы к крупнейшей научной революции со времён Эйнштейна.
Вместо этого все свидетельства говорят в пользу Вселенной, в которой все законы физики всегда, везде, во всех направлениях, во все времена остаются одинаковыми, включая и физику самого света.
Источник: starcatalog.ru