Все мы имеем общее представление о том, что такое скорость света и чему она равна: примерно 300 тысячам км/c или, если быть точным, 299 792 458 м/c.
Но почему у нее именно такое значение? Почему не 350 тыс. км/ч или не 100 тыс. км/ч? Да и почему нас так волнует скорость электромагнитных волн? Почему эта проблема так интересует физиков?
Да потому что скорость света очень странная.
Экспериментируя со светом
Первым человеком, кто осознал, что у света есть скорость, был астроном Оле Рёмер (Ole Romer). В конце XVII-го века он заинтересовался странным движением юпитерского спутника Ио.
Рёмер наблюдал, как планета регулярно загораживает собой спутник, но периоды между этими затмениями менялись на протяжении года. Возможно, конечно, у Ио была какая-то необычная орбита, которая бы объясняла такую иррегулярность, но скорее причина была в чем-то другом.
Рёмер наблюдал за танцем Ио и Юпитера на протяжении нескольких лет, пока ему не пришло в голову учесть и положение Земли. Когда мы видим затмение, мы сами находимся в конкретном положении нашей орбиты. Через несколько дней затмение повторяется, а мы тем временем сместились по орбите: оказались либо ближе, либо дальше от Юпитера. Если мы оказались дальше, свету требуется чуть больше времени, чтобы долететь до нас. Если ближе – чуть меньше.
Получается, у света есть конечная скорость!
Что же это означает?
На протяжении нескольких последующих веков ученые продолжали наблюдать и измерять скорость света, но лишь в середине XIX века пазл начал складываться в единую картину. Это началось, когда физик Джеймс Максвелл случайно изобрел свет.
Максвелл экспериментировал с тогда еще малоизученными феноменами электричества и магнетизма, когда в его голове начала складываться единая теория, способная объяснить все наблюдения.
Он обнаружил, что изменяющееся электрическое поле способно создавать магнитное поле и наоборот. Это заложило основы нашего понимания электромагнитных сил. Стало понятно, что электрическое поле создает магнитное поле, которое потом создает электрическое поле и так далее.
Еще через несколько десятилетий пришел Альберт Эйнштейн и заявил, что скорость света в общем-то со светом не связана. В специальной теории относительности он описал связь между временем и пространством, объединив их в единую «ткань» пространства-времени. Конечно, пространство отличается от времени -- метр не похож на секунду. Как же тогда их можно связать?
Нужен был способ переводить метры и километры в секунды и минуты. И Эйнштейн нашел константу – некую скорость, которая позволяла переводить пространство во время и обратно.
Теория Эйнштейна не позволяла понять, что это за скорость. Но когда он применил свою теорию к тем самым уравнениям Максвелла, стало понятно, что константа – это скорость света.
Конечно, фундаментальной константе, объединяющей пространство и время, мягко говоря, плевать на какие-то там электромагнитные волны. Это просто число. Но оказалось, что Максвелл уже открыл это число, хоть и не понял этого.
Все не имеющие массы частицы способны летать со скоростью света, а так как и свет не имеет массы, то ему это тоже удается. Так скорость света стала одним из важнейших значений современной физики.
И все же, почему у нее именно такое значение?
Теряя значение
В общем-то, само число значения не имеет, ведь оно сопровождается единицами измерения: метрами в секунду. А в физике любое значение с единицами можно превратить в любое другое, нужно лишь обозначить, какие единицы вы используете. Таким образом, определение скорости завязано на определения времени и длины.
В физике гораздо большее значение имеют константы, у которых нет этих единиц или размерностей. Другими словами, это те константы, которые встречаются в физике в виде чисел. Они кажутся нам гораздо более фундаментальными, ведь они не зависят ни от каких других определений.
Если бы встретим инопланетную цивилизацию, нас сложно будет понять, как они измеряют скорость света, а вот с фундаментальными константами нам будет гораздо проще разобраться. Это будут просто числа.
Одной из таких фундаментальных констант является постоянная тонкой структуры. Она связывает скорость света, константу Планка и электрическую постоянную. Она равна примерно 0,007. Просто 0,007.
В общем, с одной стороны, скорость света может быть какой захочет, потому что у нее есть единицы измерения, которые мы должны заранее определить.
С другой стороны, скорость света не может быть совсем любой, потому что при другой скорости света должна быть и другая постоянная тонкой структуры. А в нашей Вселенной эта постоянная равна примерно 0,007. Просто вот такая у нас Вселенная. А раз уж эта константа зафиксирована, то и скорости света приходится быть такой, какой мы ее знаем.
А почему же у постоянной тонкой структуры именно такое значение? Очень хороший вопрос. Просто замечательный. Мы не знаем.
—
Статья написана по материалам с сайта Space.com.
