Всем привет!) Недавно в меня кинулись вот такой картинкой:
Ну вот и звездануло меня оправдаться) Оправдание будет в двух частях. В этой я вам расскажу, что такое скорость света и почему она максимальна.
Ну и как обычно, сначала я тут сложу видео- и аудиоверсию подкаста:
Короче, ребят, это физика и здесь почти всё рассматривается для сферического коня в вакууме, то есть в идеальных условиях. В реальности хрен там плавал…или не хрен, я рассказывал уже в одном из прошлых выпусков (который про инфляционную модель Вселенной) про квантовые флуктуации. В общем, давайте сразу разберемся. Скорость света в вакууме постоянна, непреодолима и максимальна для безмассовых объектов, которые передают сигналы, то есть, информацию.
А нахрена нам такая скорость света, которая для безмассовых объектов? Что нам дадут эти объекты? Что это за безмассовые объекты такие? Даже у электрончиков была какая-то масса. А что там меньше? А я скажу вам, ребят. Свет меньше и легче. Фотон – частица света. У него нет массы. Кстати, фотон является переносчиком электромагнитного взаимодействия. Как сказал мой друг, у которого я консультировался, фотоны – это то, чем общаются между собой электроны.
Ок, а что там про сигналы? Всё просто – свет передает информацию. Уйму информации, на самом деле. В принципе, бОльшая часть наших представлений о космосе строится именно на информации, которую нам дал свет. Да даже сам факт наличия фотона говорит нам о том, что есть источник этого фотона, что существует пространство-время, что фотон прилетел, в конце концов. На самом деле, информации намного больше, но не загружать же вас по-полной сразу.
Итак, с частью про безмассовые частицы, передающие сигналы, разобрались. Осталось разобраться с тем, почему эта скорость максимальна, постоянна и непреодолима.
Когда я лопатил источники, все упирались в Эйнштейна и специальную теорию относительности. Но на самом деле, для того, чтобы объяснить скорость света, нам даже дядька Эйнштейн не понадобится, как ни странно. Корни лежат глубже. Нам нужен Максвелл. Тем, кто в школе не прогуливал уроки физики, эта фамилия знакома. Он рассказал нам, что такое электрический ток, как взаимодействует электромагнитное поле с заряженными телами и даже ввёл само понятие электрического поля. Ну и не только в электродинамику мог, там ещё молекулярку и термодинамику потряс нехило, механику, оптику, математику. Серьёзный, короче, ученый.
Нам сейчас нужны только его уравнения для электродинамики. Они так и называются «уравнения Максвелла».
Их аж целых 20 штук было, но в итоге все сократили до 4.Я не буду приводить и разжёвывать сами уравнения, потому что там такой дикий матан, что разбираться мы будем много лет. Нам нужно только решение уравнений, которое опишет типы электрических и магнитных полей в вакууме, где совсем-совсем ничего нет. Повторюсь, фактически, такого вакуума нет нифига. Я говорил об этом в прошлых выпусках. Но всё же. Предположим, что существует совсем уже вакуумный вакуум. Отсосали всю материю, разогнали все волны и экранировались от излучений. Изобрели квантовый шумоподавитель и айда решать уравнения…
Решений оказалось два. Одно говорит, что ничего не существует и никаких полей в вакууме быть не может и никаких волн и излучений не будет. Физикам такой результат неинтересен, потому что в таком случае Вселенная бы не возникла из нифига и вообще это какое-то идеально черное тело получается…
Но есть и второе решение. Оно нам показывает два поля, которые колеблются в одной фазе с определенной амплитудой и которые взаимно перпендикулярны. То есть, у нас есть какая-то волна. Раз у нас есть амплитуда и колебания, значит, мы можем их посчитать и что-то к чему-то привести. В физике уже были известны две очень важные константы: магнитная постоянная и электрическая постоянная. В общем, вывели уравнение для вычисления скорости той самой волны, и решением этого уравнения стала как раз формула, в которой есть только две этих константы, помимо знака корня, знака деления и единицы.
Интересно, что если начать гуглить, то магнитная постоянная ещё как-то понятна. Она определяется из силы, с которой два бесконечно длинных и бесконечно тонких параллельных проводника в вакууме будут взаимодействовать между собой, если пустить по ним токи. Этой силой был Ампер. А раз мы знаем, что такое 1 ампер, (ну измерили мы его и посчитали, чего уж), то и магнитную постоянную мы тоже сможем вычислить.
Перейдём к постоянной электрической. Тут уже интереснее. Потому что современные интерпретации почти всегда опираются на то, что электрическая постоянная зависит от скорости света в вакууме. Но ещё эта постоянная мелькает в формуле для измерения емкости конденсатора, так что делов-то собрать кондер и измерить его, а дальше просто формулой воспользоваться.
Напомню, эти константы нам нужны для того, чтобы описать скорость электромагнитной волны в вакууме. Для чего? А потому что эта электромагнитная волна и есть свет, вот для чего. Помните, я говорил, что фотон – частица света и что он является переносчиком электромагнитного поля? Вот и всех делов. Короче, посчитали то уравнение скорости и получили конкретное значение скорости света. Но вообще-то мы должны помнить про то, что это значение для полного вакуума, которого у нас в принципе нет. Так что мы получаем предел скорости распространения электромагнитной волны, то есть света. Просто мы этот предел так называем – скорость света. Смиритесь. Если мы будем постоянно говорить максимальная скорость распространения электромагнитной волны в абсолютном вакууме – мы все тут свихнемся.
И эта цифра как раз постоянна и меняется только при переопределении тех констант… Ну да, физики всё время докапываются и стремятся любые постоянные определить получше, так что периодически возникает какая-нибудь переопределенная одна миллиардная, и меняет несколько значений.
А если говорить по факту, то сам свет летит чуть медленнее из-за разного рода помех.
Помните у Pink Floyd на обложке альбома «Dark side of the Moon» в треугольную призму попадал луч света и на выходе из призмы красиво так становился радугой?
Это призма Ньютона и она как раз показывает нам, как разноэнергетический свет будет взаимодействовать со средой. Чем больше энергии тратится на прохождение призмы, тем ниже луч, а уж почему за определенной выходной частотой луча закрепился именно синий цвет – спросите у Вселенной.
Итак, почему нельзя превысить скорость света?
Да потому что уравнения Максвелла считали нам пустоту! Там ничего не было! Вообще! Никакой массы! А мы не знаем, что можно ещё придумать, чтобы ускорить. И эти уравнения посчитали нам, если помните, ПРЕДЕЛ скорости распространения волны в электромагнитном поле.
Ну давайте просто представим, что кто-то светит нам фонариком из движущейся машины. То есть, ситуацию, в которой свет мы пробуем немного ускорить. Мы не будем рассматривать массу машины, чтоб не усложнять сейчас, но в задаче в принципе она есть, это не безмассовая машина. Мы сейчас регистрируем только свет. Итак, свет от фонаря идет со скоростью c+100 км/ч, достигает нас и только потом достигает нас картинка, в которой мы включаем фонарик. Ну, мы же включали фонарь, сидя в машине и свет перегнал нас, потому что он вообще-то быстрее, да? А хрен там плавал, всё будет интереснее. Это называется красным или синим смещением. Суть в том, что мы увидим машину и фонарик и всё такое, потому что фонарик не испускает свет, а только усиливает энергию электромагнитного излучения, а свет испускает всё, что излучает и отражает эти электромагнитные волны в видимом диапазоне. Итак, мы видим машину, фонарик, то, что он включен и все дела. Но если машина движется и если она достаточно далеко, то мы увидим немного другой цвет кузова, немного другой цвет всего, что внутри машины, но это изменение будет очень незаметным. Также немного другого цвета будет и свет из фонаря, как будто кто-то накинул на фонарь цветную плёнку, светофильтр. Это происходит потому что мы пытаемся вогнать в минимальную длину волны, которая в принципе возможна, еще меньшие волны. И тут уже само поле преобразует волны, поправляет свет от движущихся объектов. И ехала к нам красная машина, а видели-то мы синюю. А если бы ехала синяя, то видели бы мы ультрафиолетовую, как бы забавно ни звучало) А если бы машина наоборот ехала ОТ нас, то синюю машину мы бы видели красной, а красную – инфракрасной. Для зануд – да, машине надо очень разогнаться, чтоб так вышло, но принцип тот же. А вот изменения в светимости движущегося и неподвижного объекта вполне реальны. Для зануд со звёздочкой я ещё немного поправлюсь. Фактически, такое смещение может быть вызвано несколькими причинами, но мы же рассматриваем сферического коня в вакууме, да?
Тут поле само начинает корректировать поведение волны. То есть, если свет начинает превышать скорость, то поле просто-напросто режет его немного. Если бы на нас ехала машина с включенным фонариком, мы бы не увидели сначала луч фонаря, а потом машину. Мы бы увидели всё одновременно, но немного другого цвета. Помните, когда я говорил про призму Ньютона, я объяснял, что фотоны с разной энергией становятся разными цветами радуги? Вот тут это и работает. Называется красным или синим смещением. Если машина едет на нас, то она вместе с лучом из фонаря из красной потихоньку синеет, а если машина от нас уезжает – она начинает краснеть. Вот такого хамелеона мы и увидим.
Так вот, это мы смотрели только свет…без массы. В принципе, я УЖЕ ответил на вопрос в картинке. Но нам же интереснее посмотреть плюшки-приколюшки с такими величинами и парадоксами. Что будет, если мы начнем разгонять массивные тела до скорости света?
Расскажу в следующий раз)
С вами был Роман Юдаев,
Всем пока-пока)