Ско́рость све́та в вакууме — абсолютная величина скорости распространения электромагнитных волн, в точности равная м/с (или приблизительно 3×108 м/с). В физике традиционно обозначается латинской буквой «» (произносится как «цэ»), от (скорость).
Скорость света в вакууме — фундаментальная постоянная, не зависящая от выбора инерциальной системы отсчёта (ИСО). Она относится к фундаментальным физическим постоянным, которые характеризуют не просто отдельные тела или поля, а свойства пространства-времени в целом. Из постулата причинности (любое событие может оказывать влияние только на события, происходящие позже него, и не может оказывать влияние на события, произошедшие раньше него) и постулата специальной теории относительности о независимости скорости света в вакууме от выбора инерциальной системы отсчёта (скорость света в вакууме одинакова во всех системах координат, движущихся прямолинейно и равномерно друг относительно друга) следует, что скорость любого сигнала и элементарной частицы не может превышать скорость света. Таким образом, скорость света в вакууме — предельная скорость движения частиц и распространения взаимодействий.
В вакууме
Наиболее точное измерение скорости света на основе эталонного метра было проведено в 1975 году.
На данный момент считают, что скорость света в вакууме — фундаментальная физическая постоянная, по определению, точно равная , или . Точность значения связана с тем, что с 1983 года метр в Международной системе единиц (СИ) определён как расстояние, которое проходит свет в вакууме за промежуток времени, равный .
В планковской системе единиц скорость света в вакууме равна 1. Можно сказать, что свет проходит 1 планковскую длину за планковское время, но в планковской системе единиц скорость света является основной единицей, а единицы времени и расстояния — производными (в отличие от СИ, где основными являются метр и секунда).
В природе со скоростью света распространяются (в вакууме): собственно видимый свет, а также другие виды электромагнитного излучения (радиоволны, рентгеновские лучи, гамма-кванты и др.). Законы Максвелла предсказывают распространение электромагнитных волн в пустоте со скоростью , где и — электрическая и магнитная постоянные; предположительно — гравитационные волны (экспериментально подтверждено с точностью от −3×10−15 до +0,7×10−15, то есть совместимо с нулём в пределах погрешности).
Массивные частицы могут иметь скорость, приближающуюся почти вплотную к скорости света, но всё же не достигающую её точно. Например, околосветовую скорость, лишь на 3 м/с меньше скорости света, имеют массивные частицы (протоны), полученные на ускорителе (Большой адронный коллайдер) или входящие в состав космических лучей.
В современной физике считается хорошо обоснованным утверждение, что причинное воздействие не может переноситься со скоростью, большей скорости света в вакууме (в том числе посредством переноса такого воздействия каким-либо физическим телом). Существует, однако, проблема «запутанных состояний» частиц, которые, судя по всему, «узнают» о состоянии друг друга мгновенно. Однако и в этом случае сверхсветовой передачи информации не происходит, поскольку для передачи информации таким способом необходимо привлечь дополнительный классический канал передачи со скоростью света.
Хотя в принципе движение каких-то объектов со скоростью, большей скорости света в вакууме, вполне возможно, однако это могут быть, с современной точки зрения, только такие объекты, которые не могут быть использованы для переноса информации с их движением (например, солнечный зайчик в принципе может двигаться по стене со скоростью, большей скорости света, но никак не может быть использован для передачи информации с такой скоростью от одной точки стены к другой).
В прозрачной среде Скорость света в прозрачной среде — скорость, с которой свет распространяется в среде, отличной от вакуума. В среде, обладающей дисперсией, различают фазовую и групповую скорость.
Фазовая скорость связывает частоту и длину волны монохроматического света в среде . Эта скорость обычно (но не обязательно) меньше . Отношение скорости света в вакууме к фазовой скорости света в среде называется показателем преломления среды. Если угловая частота волны в среде зависит от волнового числа нелинейным образом, то групповая скорость равняется первой производной , в отличие от фазовой скорости .
Групповая скорость света определяется как скорость распространения биений между двумя волнами с близкой частотой и в равновесной среде всегда меньше . Однако в неравновесных средах, например, сильно поглощающих, она может превышать . При этом, однако, передний фронт импульса всё равно движется со скоростью, не превышающей скорости света в вакууме. В результате сверхсветовая передача информации остаётся невозможной.
Арман Ипполит Луи Физо на опыте доказал, что движение среды относительно светового луча также способно влиять на скорость распространения света в этой среде.
Вывод скорости света из уравнений Максвелла Уравнения Максвелла в дифференциальной форме:
и материальные соотношения для бездисперсионной изотропной среды
Здесь — вектор напряженности электрического поля, — вектор напряженности магнитного поля, — вектор магнитной индукции, — вектор электрической индукции, — магнитная проницаемость, — магнитная постоянная, — электрическая проницаемость, — электрическая постоянная, — плотность тока, — плотность заряда.
Из векторного анализа известны соотношения — ротор, дифференциальный оператор, , — дивергенция, дифференциальный оператор, и — оператор Лапласа, , .
Для среды без свободных зарядов , , поэтому:
Согласно свойству ротора векторного поля . Подставив сюда и , получим:
подставляем сюда из уравнений Максвелла , получаем:
(1)
Уравнение волны:
, где — оператор Д’Аламбера,
(2)
Подставляем (1) в (2), находим скорость:
, где в системе СИ сA/мкг и кг м/сА.
В вакууме , м/с
Фундаментальная роль в физике
Скорость, с которой световые волны распространяются в вакууме, не зависит ни от движения источника волн, ни от системы отсчёта наблюдателя. Эйнштейн постулировал такую инвариантность скорости света в 1905 году<ref name="stachel"></ref>. Он пришёл к этому выводу на основании теории электромагнетизма Максвелла и доказательства отсутствия светоносного эфира English translation: .
Инвариантность скорости света неизменно подтверждается множеством экспериментов. Существует возможность проверить экспериментально лишь то, что скорость света в «двустороннем» эксперименте (например, от источника к зеркалу и обратно) не зависит от системы отсчёта, поскольку невозможно измерить скорость света в одну сторону (например, от источника к удалённому приёмнику) без дополнительных договоренностей относительно того, как синхронизировать часы источника и приёмника. Однако, если применить для этого синхронизацию Эйнштейна, односторонняя скорость света становится равной двусторонней по определению .
Специальная теория относительности исследует последствия инвариантности в предположении, что законы физики одинаковы во всех инерциальных системах отсчёта. Одним из последствий является то, что — это та скорость, с которой должны двигаться в вакууме все безмассовые частицы и волны (в частности, и свет).
Специальная теория относительности имеет много экспериментально проверенных последствий, которые противоречат интуиции.
Такие последствия включают: эквивалентность массы и энергии , сокращение длины (сокращение объектов во время движения) замедление времени (движущиеся часы идут медленнее).
Коэффициент , показывающий, во сколько раз сокращается длина и замедляется время, известен как фактор Лоренца (Лоренц-фактор)
где — скорость объекта. Для скоростей гораздо меньших, чем (например, для скоростей, с которыми мы имеем дело в быту) разница между и 1 настолько мала, что ею можно пренебречь. В этом случае специальная теория относительности хорошо аппроксимируется относительностью Галилея. Но на релятивистских скоростях разница увеличивается и стремится к бесконечности при приближении к .
Объединение результатов специальной теории относительности требует выполнения двух условий: (1) пространство и время являются единой структурой, известной как пространство-время (где связывает единицы измерения пространства и времени), и (2) физические законы удовлетворяют требованиям особой симметрии, которая называется инвариантность Лоренца (Лоренц-инвариантность), формула которой содержит параметр . Инвариантность Лоренца встречается повсеместно в современных физических теориях, таких как квантовая электродинамика, квантовая хромодинамика, стандартная модель физики элементарных частиц и общая теория относительности. Таким образом, параметр встречается повсюду в современной физике и появляется во многих смыслах, которые не имеют отношения собственно к свету. Например, общая теория относительности предполагает, что гравитация и гравитационные волны распространяются со скоростью The interpretation of observations on binary systems used to determine the speed of gravity is considered doubtful by some authors, leaving the experimental situation uncertain; see. В неинерциальных системах отсчёта (в гравитационно искривлённом пространстве или в системах отсчёта, движущихся с ускорением), локальная скорость света также является постоянной и равна , однако скорость света вдоль траектории конечной длины может отличаться от в зависимости от того, как определено пространство и время.
Считается, что фундаментальные константы, такие как , имеют одинаковое значение во всём пространстве-времени, то есть они не зависят от места и не меняются со временем. Однако некоторые теории предполагают, что скорость света может изменяться со временем. — «The possibility that the fundamental constants may vary during the evolution of the universe offers an exceptional window onto higher dimensional theories and is probably linked with the nature of the dark energy that makes the universe accelerate today.».An overview can be found in the dissertation of . Пока нет убедительных доказательств таких изменений, но они остаются предметом исследований.
Кроме того, считается, что скорость света изотропна, то есть не зависит от направления его распространения. Наблюдения за излучением ядерных энергетических переходов как функции от ориентации ядер в магнитном поле (эксперимент Гугса — Древера), а также вращающихся оптических резонаторов (эксперимент Майкельсона — Морли и его новые вариации), наложили жёсткие ограничения на возможность двусторонней анизотропии.
В ряде естественных систем единиц скорость света является единицей измерения скорости. В планковской системе единиц, также относящейся к естественным системам, она служит в качестве единицы скорости и является одной из основных единиц системы.
Верхний предел скорости Согласно специальной теории относительности, энергия объекта с массой покоя и скоростью равна , где — определённый выше фактор Лоренца. Когда равна нулю, равен единице, что приводит к известной формуле эквивалентности массы и энергии . Поскольку фактор приближается к бесконечности с приближением к , ускорение массивного объекта до скорости света потребует бесконечной энергии. Скорость света — это верхний предел скорости для объектов с ненулевой массой покоя. Это экспериментально установлено во многих тестах релятивистской энергии и импульса.