Скорость света никто не измерял [Veritasium]
Вот сайт с шаурмой.
[музыка]
Знаю, что вы сейчас подумали, кликбэйт. Никто не измерял скорость света, просто смешно. Скорость света — 299792458 метров в секунду. Мы в этом так уверены, что с 1983 года на основе скорости света определяем длину метра. Это расстояние, которое проходит свет в вакууме за секунду, деленное на 299792458. Из такого определения прямо следует, чему именно равна скорость света.
Ну да, smooth, но уверяю вас, и в этом видео я докажу, что скорость света на деле может быть абсолютно другой. Я не шучу, скорость света никто не измерял, и вообще нельзя зафиксировать так, как измеряется скорость обычных объектов.
[музыка]
Вроде бы все пишет. Итак, о чем речь? Видео будет об измерении скорости.
H, расскажи, как измерить скорость мячика, который ты запускаешь. И из пушки. Для этого нам нужно знать две вещи: первое — расстояние между двумя точками; второе — время, за которое мячик долетел от одной до другой. Потом просто берем расстояние, делим на время и получаем скорость.
А с высокоскоростной съемкой можно посчитать кадры, и там есть встроенный таймер.
— У, это же сейчас опять про относительность начнешь бы ты, как будто знал.
— Поверить не могу! О, боже! Я еще хотел тебя спросить про скорость света.
— Давай, можно ли измерить ее таким же образом?
Представьте, что у нас есть лазер, который стреляет лучом сквозь идеальный вакуум на расстоянии одного километра. В момент включения лазера мы запустим камеру и остановим ее, как только свет пройдет этот километр. Но как узнать, когда свет достигнет конечной точки, если таймер?
И мы находимся в точке старта. Видимо, нужен второй секундомер, лазеры и у конечной точки пути, и останавливаться второй должен в тот момент, когда фиксирует луч. Теперь нам надо синхронизировать таймеры. Их можно перекинуть провод, чтобы передать сигнал от одного таймера к другому, только вот он будет путешествовать со скоростью света и достигнет второго аппарата с задержкой.
Наверное, можно было бы вычесть задержку, но ведь это как раз время, за которое свет проходит один километр, а ведь именно его мы не знаем. Мы пытаемся засечь.
Ладно, план Б: подключаем таймеры друг к другу, синхронизируем. Потом отодвигаем второй к конечной точке. Что же тут может пойти не так?
Объясню: как часы, которые мы перемещаем, движутся относительно первых, и согласно специальной теории относительности, время на них течет медленнее, чем у неподвижного наблюдателя. И когда две камеры окажутся в нужном месте, они уже раз синхронизируются с первым.
Расскажу вам, как справиться с этой трудностью: выкинуть два таймера, поставить в конце пути зеркала, от которого свет отразится, и одним таймером засечь время, за которое луч пройдет два километра туда и обратно.
Вас тут и ведь так уже делал. Залазили на гору, там еще взяли колесо от кареты, лампу, а на расстоянии как раз стояло какое-то зеркало. Всегда хотел повторить.
— Сау!
— Ну, похоже, ты сейчас о том, как впервые скорость света измерил Ипполит Луи Физа в 1849. Он осветил на быстро вращающийся диск зубьями, а позади, на расстоянии 8 километров, на холме стояло зеркало. Раскручивая колесо все быстрее, он добился того, что отраженный свет попадал в промежуток между зубцами, и его было видно визуально.
Пришел к выводу, что скорость света — 313 тысяч километров в секунду. Отклонение от современных данных всего 5 процентов. Итак, тут-то все же измерил скорость света или нет?
Вот, измеряли путь света в обе стороны — туда и обратно, но путь в одну сторону все еще никто и никогда. Есть у меня к тебе один вопрос.
Мне интересно, что ты скажешь: что если свет летит с одной скоростью в ту сторону и с другой в другую?
— Звучит как типичное видео Veritasium.
Вопрос в том, возможно ли это проверить. Суть проблемы в том, что в итоге замеряли только среднюю скорость света туда и обратно, но никто не измерял ее в одном направлении. Не исключено, что в одну сторону свет летит в два раза медленнее, чем мы думаем, а обратный путь преодолевает мгновенно.
— С чего?
— Ну, это возможно! Ты серьезно? Представим, как бы работала связь с астронавтом на Марсе, назовем его Марк. Мы отправляем сигнал и получаем ответ через 20 минут.
Сами полагаем, что сигнал достигает Марса за 10 минут, а за то же время приходит ответ. Но вполне возможно, что этот сигнал идет до Марса все 20 минут, а ответный доходит мгновенно.
— Но для нас оба варианта выглядят одинаково, и разницу мы даже не заметим.
Почему скорость света может быть разной? Возможно, какие-то направления в пространстве-времени ему больше нравятся. Во Вселенной много симметричного, но симметрия встречается, например, дисбаланс в содержании материи и антиматерии.
Физики даже разработали вполне последовательные теории, где скорость света туда и обратно будет различной. Вполне может быть, что разница всего пара процентов, а может, в одну сторону свет летит в два раза медленнее, чем мы думаем, зато обратно мгновенно.
Так дай-ка попробую разобраться. Так, ну что-то мне не верится, не верю. Хотел бы сомневаться, что в одном направлении скорость света может быть одна, в обратном другая.
Но я точно знаю, что ты не стал бы мне звонить и еще на камеру это все снимать, если бы не был уверен, что прав. И вот это меня пугает. Мне это вообще не нравится.
Справедливо сказать, что так проще, когда свет путешествует во всех направлениях с одинаковой скоростью. Проблема в том, что это за, скорее, условно принятое положение, а не экспериментально проверенный факт.
На это обратил внимание еще Эйнштейн в известной работе 1905 года «Электродинамике движущихся тел». Из первых пару страниц он рассуждает о проблеме синхронизации часов в точках A и B.
И Эйнштейн пишет, что невозможно без дальнейших предположений сравнивать время событий, если не ввести определение, что время обходимо, и для прохождения света, и за B равно времени, требуемому для прохождения света из B.
В.W. он по сути приравнял скорость света в одном направлении к скорости света в обратном. И курсивом выделен: "А ввести определение", чтобы напомнить нам, что это просто некая условность, это собственно и называют синхронизации по Эйнштейну.
Таким образом, представления о том, что скорость света одинакова в обоих направлениях, напишет он позже, не есть предпосылка или гипотеза о физической природе света, но требования, которые я делаю на основании свободного выбора, чтобы получить определение одновременности.
Предположу, что многие найдут такой подход слишком уж субъективным для определения скорости света.
— О, ничего себе, я об этом никогда не думал! Да, я раньше не задумывался. Мне всегда казалось, что когда мы говорим, что скорость света — это C, подразумевается односторонняя скорость света. Оказывается, что ее не найти, только посчитать среднюю обе стороны.
Посмотрите, как Эйнштейн определяется через путь от точки A до B и обратно. Может, помнишь со школы задачки, в которых были фотоне- Электрические часы? Там уж света бил вверх и отражался обратно, и никогда только вверх.
Теперь ясно, почему для наблюдателя в инерциальной системе координат постоянно только скорость света для пути туда и обратно.
Больше ста лет ученые искали способ обойти эту проблему: измерить скорость света в одну сторону. И вот работа 2009 года, опубликованная в американском научном журнале. Авторы, которые заявили, что им это удалось, а вот работа, в которой это опровергли, заявив, что авторы предыдущие измерили все тут же, среднюю скорость туда-обратно.
Мне кажется, у вас наверняка есть собственная идея о том, как измерить скорость света. Вот некоторые из них: может просто включить высокоскоростную камеру, которая делает триллионы кадров в секунду и увидеть, как свет проходит сквозь объект.
Но в этом случае свет должен не только пронзить объект, но еще и долететь до камеры, а значит, мы снова измеряем двойной путь.
Он мой придумал. Теперь берем моток оптоволоконного кабеля длиной под 300 тысяч километров, потом с этим сюда, а вот тут второй конец кабеля. Так вот, включаем свет и засекаем, через сколько он появится на другом конце.
Это не проблема в том, что волокно смотано, и когда свет проходит через верхнюю часть катушки, он может двигаться медленнее, а когда через нижнюю — быстрее. В итоге опять получится средний.
По сути, мы гоняем свет туда-сюда, а не в одну сторону.
— А что если разместить синхронизирующее устройство между часами?
Сигнал пойдет одновременно в двух направлениях. Если скорость света в обоих направлениях одинаково, то наша задача решена. Но если нет, одни часы будут обгонять другие. При том, и ровно настолько, что когда мы все-таки измерим скорость света, получится, что она как раз равна C, несмотря на то, что на самом деле это не так.
Надо speed like, по этой же причине не получится синхронизировать часы через GPS. Вся система работает на допущении, что свет движется с одинаковой скоростью во всех направлениях.
Но если это не так, то сигналы от спутников будут двигаться с разной скоростью, а значит, часы будут идти по-разному. В результате замеры вновь покажут, что скорость света равна C, даже если это неправда.
А может, синхронизировать таймеры в одной точке и отодвигать их в противоположные стороны?
И с одинаковой скоростью. Замедление времени для них будет одинаковым, значит, идти они будут синхронно. Но и это сработает только, если скорость света во всех направлениях одинаково.
Если же нет, то и замедление времени для часов будет разным. Возможно, вам кажется, что если перемещать часы очень медленно, замедлением времени можно пренебречь.
Но если свет движется с разной скоростью в зависимости от направления, то обычная формула расчета замедления времени нам уже не подойдет, и эффект может оказаться намного значительным, чем вам кажется.
Получается, что мы в тупике. Чтобы измерить скорость света, нам нужно синхронизировать таймеры, но чтобы их синхронизировать, нужно знать скорость света в одном направлении.
Может показаться, что это исключительно проблема научных умов, но давайте посмотрим, как изменится понимание процессов во Вселенной, если скорость света отмечается в разных направлениях.
Допустим, Марк, марсианин, решил синхронизировать свои часы с нашими. Полдень на Земле. Ему отправляется сообщение с текстом: "Сигнал отправлен в 12:00".
Получив сигнал и учтя синхронизацию Эйнштейна, Марк выставляет время. Он знает, что сигнал доходит до Марса и возвращается на Землю за 20 минут, делит это на 2, и теперь у него на часах 12:10.
Марк отправляет сообщение: "Сигнал отправлен в 12:10". На Земле сообщение получает через 20 минут 1.
Все понимают, что теперь часы идут одинаково: когда на часах в NASA 12:20, у Марка на Марсе тоже 12:20.
Но представьте, что получится, если скорость света в разных направлениях неодинакова. Скажем, в сторону Марса это C деленное на 2, а обратно сигнал попадает мгновенно.
Естественно, никто об этом не знает, и все по-прежнему полагаются на синхронизацию Эйнштейна. На Земле отправляют сигнал, но он идет до Марса целых двадцать минут.
Марк об этом тоже не знает. Он уверен, что сообщение послали 10 минут назад, и выставляет на часах 12:10. Хотя на Земле уже двадцать минут 1.
Марк пишет: "Сигнал отправлен в 12:10". Его сообщение моментально приходит на Землю, а на часах NASA 12:20.
Участники беседы даже ничего не заподозрят: сообщение вроде как приходит с нужной задержкой, а вот их часы теперь расходятся на 10 минут. Получается, что одновременном на Земле и Марсе будут считать не те события. Узнать об этом или что-то исправить никак не получится.
Предположим, на Земле кто-нибудь напишет: "За сколько для тебя дошел этот сигнал?" У нас 12:20.
Сообщение достигнет Марса через 20 минут, но из-за разного времени на часах у Марка будет 12:30. Он ответит: "За 10 минут".
Его сообщение мгновенно получат на Земле, а на часах будет 12:40.
Таким образом, пространственно-временная диаграмма прекрасно иллюстрирует относительность понятия одновременности удаленных событий.
Reflections и какой разный может быть скорость света. Эйнштейн предпочел остановиться на том, что она одинаково в любую сторону, но с экспериментальной точки зрения любой другой взгляд на это ни чуть не хуже, включая тот, при котором в одну сторону свет путешествует со скоростью в половину C, а в другую мгновенно.
Но тогда интересно подумать о том, что видят участники обмена сообщениями, глядя друг на друга. Марк увидит Землю 20 минут назад, а с Земли Марс можно наблюдать в реальном времени, таким, какой он прямо сейчас.
И это касается не только Красной Планеты. Осмотритесь, и увидите звезды в сотнях световых лет от нас. Причем не такими, какими они были сотни лет назад, а ровно такими, какие они сейчас.
Вот, что мы видим: свет только тогда, когда он до нас доходит. О том, как именно он к нам достиг, мы не знаем ничего. Мы его видим, вот и все.
В один миг не считать, что он достиг нас мгновенно, ничем не хуже, чем со скоростью равной C.
— У меня мозг сломался.
— Ну да, да! Это вроде как и не выяснив. Я там и говорю, видео как раз об этом.
Суть в том, что эта условность, о которой Эйнштейн писал в 1905, — мы решили, что скорость во всех направлениях при этом законы физики продолжат работать, даже если в одну сторону в два раза меньше, а назад и мгновенно, или еще как-нибудь.
Средняя скорость туда-обратно — C. Физики в порядке.
Вот это и мозг ломает. Итак, скорость света в одном направлении мы не знаем, но для физики это по сути ничего не меняет.
Зачем вообще об этом говорить? Такой подход разделяют многие участники дискуссии, которая тянется с самого 1905 года.
Некоторые физики вспоминают бритву Оккама. Ведь все гораздо проще, если свет в любую сторону движется с одинаковой скоростью.
Многие ученые просто приняли это условность и живут себе. Далеко, знаешь. Но мне кажется важным указать на то, что это именно условность, которая не имеет эмпирических подтверждений.
Меня завораживает сам факт того, что ничто во Вселенной по скрыто от наших глаз. Да, мы знаем, с какой скоростью свет проделывает путь от источника до точки и обратно, но есть его односторонний.
Скорость света четко определенное значение, если нет. Что это значит для понятия одновременности? Когда на Марсе момент, который называется "прямо сейчас".
Если вообще смысл говорить о том, что какие-то события происходят одновременно, если их разделяет расстояние. Возможно, это просто случайная причуда Вселенной, которая ничего не значит.
А может, в физике произойдет очередной слом парадигмы. Измерение скорости света, которые сейчас для нас недоступны, станет ключом к тому, как связаны между собой теория относительности и квантовая механика, пространство и время.
А мы удивимся, как не видели этого раньше.
Переведено и озвучено студией Вирт Дай Дар.