Яка швидкість світла та які об’єкти здатні її подолати ?

Точні значення швидкості світла

метрів за секунду

299 792 458

Приблизні значення швидкості світла

кілометрів за секунду

300 000

кілометрів на годину

1,08 млрд

миль на секунду

186 000

миль на годину

671 млн

Швидкість світла є однією з фундаментальних постійних, які характеризують буквально все довкола нас — простір та час. Саме ця величина поділяє на до і після, причину і слідство, а також накладає масу цікавих обмежень на можливості відомого нам всесвіту.

Наведені нижче дані та наведені приклади не претендують на абсолютну наукову точність, а покликані максимально простою мовою пояснити читачеві основні та найцікавіші факти щодо швидкості світла.

Чому дорівнює швидкість світла і як її виміряли

Цікаво, що швидкість світла вважалася нескінченною аж до другої половини XVII століття, тобто такі великі вчені як Йоганн Кеплер або Рене Декарт, наприклад, сприймали її саме такою. Лише 1676 року датський астроном Олаф Ремер, який спостерігав затемнення супутника Юпітера Іо, зауважив, що де вони збігаються з розрахунковими за часом і це розбіжність від відстані між подією і спостерігачем. Зважаючи на положення Землі на своїй орбіті щодо Юпітера, Ремер обчислив швидкість світла рівну 220 000 км/с (помилився на ~80 000 км/с).

На початку XIX століття вчені вимірювали швидкість світла практичним «методом переривань» і до 1950 досягли результату 299 793,1 км/с з похибкою 0,25 км/с, а винахід лазера надалі дозволило дійти до межі точності і зафіксувати швидкість світла на позначці 299792458 м/с з похибкою 1,2 м/c.

Подальше уточнення однієї з базових величин теорії відносності стало неможливим через відсутність точного визначення метра — у той час він дорівнював довжині металевої палиці, яка була еталоном і зберігалася в Парижі. Питання було знято лише в 1983 році, коли Генеральна конференція з мір і ваг перевизначила метр як відстань, яка долає світло за 1/299 792 458 секунд. 

Відповідно швидкість світла стала офіційно рівною  299 792 458 метрів в секунду (або грубо: 300 000 км/с).

У чому фундаментальність швидкості світла

Насправді сучасна наука знає всього кілька об’єктивних фундаментальних постійних, які залишаються незмінними за будь-яких умов . Швидкість світла не залежить ні від спостерігача, ні від способу вимірювання, ні від часу вона дійсно постійна.

Щоб довести протилежне, можна, наприклад, пропустити промінь світла через складне неоднорідне середовище і він пройде крізь нього помітно повільніше, ніж через вакуум. Однак при уважному розгляді умов експерименту виявиться, що фотони рухалися з тією ж швидкістю світла, але складнішою траєкторії.

Чому ніщо не може подолати швидкість світла?

Чому дорівнює швидкість світла та які об'єкти здатні її подолати

Якщо ви створите або виявите об’єкт, який має відмінну від нуля масу або має властивість будь-яким чином взаємодіяти з іншими частинками, то ви знайдете машину часу . При цьому нічого подібного у відомому нам світі не спостерігалося жодного разу. Спрощуючи наукову мову, опишемо ситуацію так:

Уявімо події X і Y, при цьому подія X є причиною події Y, а Y, відповідно, є наслідком X. Наприклад, подія X – це спалах наднової в далекій галактиці, а Y – це реєстрація її частинок астрономами на Землі. Якщо відстань між X і Y більша, ніж час між ними (T), помножений на швидкість світла (C), то в різних системах відліку ми отримаємо три різні результати:

1. Подія X сталася раніше за події Y;
2. Подія Y відбулася раніше за події X;
3. Події X та Y відбулися одночасно.

Очевидно, що два останні варіанти навряд чи можливі з погляду сучасної науки, а отже, ніщо не може переміститися або передати інформацію швидше за швидкість світла.

Втім, як щодо такої ситуації: ви берете дуже потужний ліхтарик, направляєте його на Марс, а в промені світла рухаєте палець — якщо ви робите це досить швидко, то тінь від вашого пальця «бігає» на поверхні Марса швидше за швидкість світла, що спростовує нашу теорію.

Насправді ні. Переміщення тіні не можна назвати переміщенням об’єкта з масою, як сама по собі тінь ні з чим не взаємодіє, а є лише відсутністю світла. Фотони ж від вашого ліхтарика долетять до Марса з відомою нам швидкістю 299 792 458 метрів за секунду.

Навколосвітлова швидкість

Згідно з постулатами загальної теорії відносності, чим швидше ми розганяємо частинку, яка має якусь масу, тим більше енергії для цього нам потрібно. При цьому в міру наближення швидкості світла ця енергія буде прагнути до нескінченності.

Однак це зовсім не означає, що світло на порядки найшвидше у Всесвіті. Наприклад, вчені ЦЕРНу розігнали протони у Великому адронному колайдері до швидкості 299 792 455 м/c, що всього на 3 м/с поступається невагомим фотонам світла.

Надсвітлова швидкість

Описані вище обмеження, які накладає на швидкості у Всесвіті сучасна фізика, не стосуються частинок, які не мають маси, не взаємодіють зі звичайними частинками і можуть пересуватися швидше за швидкість світла. Такі частки прийнято називати тахіонами і на даний момент їх існування є лише припущенням (складно вигадати ефективний інструмент для їх виявлення, адже вони ні з чим не взаємодіють).

Ще один популярний приклад надсвітлової швидкості – це квантомеханічні явища. У той самий момент, коли ви одягли на праву ногу одну шкарпетку, друга моментально і автоматично стала лівою, незважаючи на відстань між ними. Приблизно за таким принципом здійснюється квантовий зв’язок при вимірі спина фотонів, при цьому інформація не передається, однак фактично один стан переходить в інший без прямої взаємодії між об’єктами.

Швидкість світла наочно

Вчені астрофізики здебільшого позбавлені можливості проводити повноцінні експерименти в лабораторіях, як це роблять, наприклад, біологи чи хіміки, зважаючи на масштаби досліджуваних процесів. При цьому кожному астроному доступний найбільший полігон, на якому постійно відбуваються грандіозні випробування – це весь оглядовий Всесвіт з квазарами, радіопульсарами, чорними дірками та іншими цікавими об’єктами.

Проте найцікавіші астрофізичні відкриття у наші дні виглядають як малозрозумілі складні графіки, а публіка змушена задовольнятися обробленими знімками лише кількох інструментів, таких як телескоп імені Хаббла. Проте офіційна наука нині усвідомлює важливість медійної діяльності і всіляко намагається візуалізувати для обивателя процеси, які неможливо просто уявити у голові.

Наприклад, співробітник NASA Джеймс О’Донохью, продемонстрував швидкість світла щодо нашої планети (скасувавши у своїх розрахунках вплив атмосфери) — промінь світла облітає Землю 7,5 разів за одну секунду, щоразу долаючи понад 40 тисяч кілометрів.

Відстань до Місяця становить близько 384 000 кілометрів (залежно від поточного розташування об’єктів) і для подолання фотонам потрібно вже 1,22 секунди.

При передачі даних з Марса на Землю зі швидкістю світла в момент максимального зближення планет доведеться чекати більше шести хвилин, а при середньому видаленні час очікування затягнеться до півгодини.

При цьому від «червоної планети» нас відокремлює в середньому 254 мільйони км, зонд New Horizons, наприклад, уже відлетів від Землі на 6,64 мільярда км, а щоб дістатися до найближчої планети Сонячної системи, необхідно пролетіти 39,7 трильйона км .