Уважаемые читатели, вы, разумеется, знаете, что в вакууме свет движется с постоянной скоростью 300 000 км/с (сокращенно – строчная буква c). Фотоны имеют нулевую массу и поэтому движутся с максимально возможной скоростью, также известной как предел космической скорости. Уравнения Максвелла научили нас, что скорость света постоянна и инвариантна для всех наблюдателей. Это краеугольный камень того, как работает наша реальность.
Оле Рёмер – датский астроном, который доказал, что свет вообще имеет скорость, а не распространяется мгновенно. В 1676 году он сравнил время затмений Ио (спутника Юпитера) на разных расстояниях от Земли. Он заметил, что, когда Земля находилась дальше от Юпитера, время между затмениями Ио увеличивалось. Эта разница во времени составила около одиннадцати минут. Логически рассуждая, он предположил, что у света есть скорость, поскольку чем дальше находился Ио, тем дольше свет шел до Земли (справедливости ради, скорость света вычислил Христиан Гюйгенс, но сделал это по данным Рёмера).
Однако, несмотря на тот факт, что свет всегда движется с постоянной скоростью, ученые обнаружили, что он замедляется, когда проходит через невакуум, такой как вода, стекло, алмазы или даже воздух. Вот почему мы видим, как предметы искажаются, когда находятся в воде. Как соломинки на изображении ниже. Вот почему вообще работают очки и бинокли. Мы можем управлять светом, чтобы он оптимально подходил нашим глазам. Именно поэтому бриллианты так уникально сверкают. Свет внутри бриллиантов замедляется на 50%, создавая завораживающий блеск.
Значит, с определенной точки зрения, скорость света не так уж постоянна? В вакууме это именно c, и всегда c. Когда он проходит через воду, скорость составляет c – 25%, и всегда c – 25% и т.д. Это означает, что как только свет выйдет из стакана с водой, он мгновенно изменит свою скорость на скорость в воздухе или стекле, в зависимости от того, какая среда. Никакого ускорения или замедления не происходит. Есть только смена состояний. От 100% до 99%, до 75% и обратно до 100%.
Свет может даже полностью остановиться в своем движении, а затем снова продолжить его. Думайте в переохлажденном облаке кристаллов. Посмотрите эксперименты, возглавляемые профессором Лене Хау из Гарвардского университета. Она успешно замедлила скорость света до скорости, меньшей, чем у мчащегося автомобиля, а позже ей удалось полностью остановить его, только чтобы потом отпустить.
Свет может даже полностью остановиться в своем путешествии, а затем снова продолжить его. Представьте себе переохлажденное облако кристаллов. Посмотрите эксперименты, проведенные командой ученых, возглавляемых профессором Лене Хау из Гарвардского университета. Она успешно замедлила скорость света, а позже ей удалось полностью остановить его, чтобы потом отпустить.
На приведенной выше иллюстрации показаны различные скорости света в соответствующих средах. Ученые называют это показателем преломления. Однако почему это так? Почему свет замедляется и как он мгновенно снова ускоряется? Вы найдете множество объяснений этому в Интернете, и многие из них неверны.
Неправильные объяснения
Вы, вероятно, встретите объяснения, согласно которым свет просто проходит более длинный путь, поскольку ему мешают частицы материи. Например, вода плотнее воздуха и, естественно, намного плотнее вакуума. Частицы света будут сталкиваться с атомами, и, таким образом, будут задерживаться на своем пути в зависимости от количества атомов (степень плотности) – это немного похоже на то, как вы задерживаетесь, если вам нужно пройти через комнату, полную люди. Вы не сможете двигаться по прямой, и вам придется маневрировать вокруг множества людей. Выйдя из комнаты, вы снова двигаетесь с исходной скоростью по прямой.
Звучит разумно, и вы найдете этот аналог во многих учебниках, но это неверно. Верно для людей, а не для частиц света (они же фотоны). Во-первых, он предлагает учитывать пройденный путь, который может варьироваться – как по скорости и длине, так и по тому, где может вылететь частица света. Это сделало бы, например, очки невозможным. В показателе преломления частицы света каждый раз действуют точно так, как предсказывается. Мы знаем, как быстро и куда они выйдут. Обладая этими знаниями, мы можем делать очки. В показателе преломления нет стохастической закономерности, и, следовательно, это объяснение должно быть отвергнуто.
Другое популярное объяснение состоит в том, что свет поглощается атомами в среде, а затем мгновенно высвобождается, чтобы продолжить свой путь. Этот процесс действительно задерживает свет и, кажется, объясняет то, что мы наблюдаем. Это не так. Хотя атомы действительно поглощают свет, это не объясняет точности показателя преломления. Во-первых, такое поглощение характерно для определенных длин волн, а не для всех, плюс оно также следует стохастической схеме, которую, как мы знаем, показатель преломления никогда не изменяет. Увы, это тоже неправда.
Видео ниже, с очень популярного канала YouTube, является примером неправильного объяснения. Это звучит разумно, но не соответствует нашим представлениям о том, что происходит на самом деле. Это хороший способ сказать, что представленное ниже «образовательное» видео распространяет дезинформацию.
Правильные объяснения
Удивительный факт заключается в том, что отдельные фотоны на самом деле не замедляются в воде, стекле или других средах. Они сохраняют постоянную скорость 300 000 км / с, даже когда кажется, что они замедляются. Изменение скорости только кажущееся, а не фактическое (в учебниках это обычно говорится, но последнее предложение здесь часто упускается или забывается).
Итак, у нас есть первый ответ на популярный вопрос о том, как свет может мгновенно ускориться после выхода из такой среды, как вода – он никогда и не замедлялся. Скорость света (или, скорее, скорость частиц света) постоянна, даже когда кажется, что это не так.
К сожалению, более глубокое объяснение этой особенности непросто понять или истолковать. Это удивительно сложно, вот почему существует так много более или менее неточных попыток объяснения.
В любом случае, сделаем свою попытку:
Показатель преломления света на 25% ниже, когда он движется, например, через воду. В вакууме он движется со 100% постоянной c.
Два разных подхода могут объяснить это явление. Оба они верны, хотя один более верен, чем другой.
Классическое объяснение рассматривает свет как волну. Когда волна входит в среду, она будет колебаться или «щекотать» окружающие атомы. Каждый из этих атомов начнет самостоятельно генерировать электромагнитные волны через все колеблющиеся электроны. Происходит хаотическая танцевальная вечеринка, и все волны, прыгающие между атомами, будут возбуждать всё больше и больше. Сложите все эти волны, и получим показатель преломления – точно такой, как и предсказывалось.
Такое скопление возбужденных волн приведёт к уменьшению скорости света на 25%. Волны могут либо гасить другие, либо создавать более крупные волны. Другими словами, суммарный эффект поступающего света и всех электромагнитных волн, создаваемых реагирующими атомами в среде, будет составлять то, что мы измеряем как более медленную на 25% скорость. Можно было бы сказать, что световые волны сами по себе не изменяются. Тем не менее, они подвержены влиянию других электромагнитных волн внутри среды, что делает накопленную длину волны короче.
Хотя это объяснение верно математически и полностью соответствует нашим уравнениям и теориям по этому вопросу, приведенное ниже квантово-механическое объяснение рисует несколько иную картину.
Квантово-механическое объяснение рассматривает свет как волновые функции. Говоря научным языком, волновая функция фотона входит в среду и будет проходить все возможные пути в этой среде – даже совершать круговые движения или что-то еще, что мы можем вычислить с помощью вероятностей. Это субатомное поведение часто описывается как квантовая суперпозиция – частица имеет все положения, а не только одно. Как ни абсурдно звучит, это соответствует экспериментам. Звучит похоже на танцевальную вечеринку волн, описанную выше, но квантово-механически (и математически) это не так. Конечным результатом всех этих суперпозиций является уменьшение на 25%. Точно так, как было измерено.
Какую из двух моделей вы предпочтете – решать вам. Они обе одинаково верны в рамках своей парадигмы. Несмотря на сходство, знайте, что квантово-механическая модель превосходит другие, когда мы вдаемся в детали многих других аспектов показателя преломления света.
Есть еще несколько моделей, которые рассматривают фотон внутри среды как частицу другого типа. Таким образом, среда считается совершенно другой системой. Часто этот не-фотон называют поляритоном, и, поскольку он обладает массой, это означает, что он движется со скоростью меньше c. Модель удовлетворяет некоторым особенностям, но пока не проверена за пределами математики.
Подводя итог: свет движется с постоянной скоростью. Когда он входит в различные среды, такие как стекло или вода, квантово-механическая волновая функция будет определять все возможные состояния для этого света, которые, в зависимости от среды, будут влиять на прохождение частиц света, поэтому их кажущаяся скорость изменяется.
