Viteza luminii

În fizică, viteza luminii este viteza de propagare a unei unde electromagnetice și a unei particule libere fără masă . În vid are o valoare de 299 792 458 m / s ^[1] . Este indicat în mod normal cu litera c (din latinescul celeritas ), prima alegere făcută de Paul Drude în 1894 ^[2] .

Conform relativității speciale, viteza luminii în vid, $c_{0}$ ${\ displaystyle c_ {0}}$ $c_0$ , este o constantă fizică universală independentă de sistemul de referință utilizat și de viteza maximă cu care orice informație poate călători în univers , combinând cantitățile fizice clasice de spațiu și timp în singura entitate a spațiu-timp și reprezentând cantitatea de conversie în ecuația echivalența masă-energie . În relativitatea generală este viteza prezisă a undelor gravitaționale .

Valoarea a fost luată în considerare începând cu 21 octombrie 1983 $c_{0}$ ${\ displaystyle c_ {0}}$ $c_0$ la fel de exact , adică fără erori și pornind de la aceasta, lungimea contorului este definită în sistemul internațional .

Istorie

Linie care arată viteza luminii într-un model la scară. De la Pământ la Lună, 384 400 km, lumina durează aproximativ 1,28 secunde, având în vedere distanța medie dintre centrul Pământului și centrul Lunii.

Galileo Galilei a fost primul care a suspectat că lumina nu se propagă instantaneu și a încercat să-i măsoare viteza. El a scris despre încercarea sa nereușită de a folosi felinare pentru a trimite fulgere de lumină între două dealuri din afara Florenței . Giovanni Alfonso Borelli (1608-1679), un adept al Galilei, a încercat să măsoare viteza luminii pe distanță Florența - Pistoia prin intermediul oglinzilor reflectante.

Prima măsurare a vitezei luminii a fost făcută în 1676 de către danezul Ole Rømer , care a folosit o anomalie în durata eclipselor sateliților Medici ( sateliții lui Jupiter descoperiți de Galileo). El a înregistrat eclipsele lui Io , un satelit al lui Jupiter: în fiecare zi sau două, Io pătrundea în umbra lui Jupiter și apoi reapărea. Rømer îl putea vedea pe Io „oprindu-se” și „pornind din nou”, dacă Jupiter era vizibil. Orbita lui Io părea a fi un fel de ceas îndepărtat, dar Rømer a descoperit că „ticăitul” său era mai rapid pe măsură ce Pământul se apropia de Jupiter și mai lent, pe măsură ce se îndepărta. Rømer a măsurat variațiile în raport cu distanța dintre Pământ și Jupiter și le-a explicat stabilind o viteză finită pentru lumină. El a obținut o valoare de aproximativ 210 800 000 m / s, a cărei abatere de la valoarea constatată ulterior s-a datorat în esență preciziei slabe cu care măsurase timpul necesar luminii pentru a parcurge diametrul orbitei Pământului. O placă la Observatorul din Paris , unde a lucrat astronomul danez, comemorează ceea ce a fost, de fapt, prima măsurare a unei cantități universale. Rømer și-a publicat rezultatele, care conțineau o eroare de 10-25%, în Journal des savants .

Redați fișierul media

Schematizarea experimentului lui Hippolyte Fizeau

Alte măsurători, din ce în ce mai precise, au fost făcute de James Bradley , Hippolyte Fizeau și alții, până la atingerea valorii acceptate astăzi. În special, Fizeau a măsurat viteza luminii cu ajutorul unui aparat format dintr-o roată dințată rotită cu viteză mare. O rază de lumină a fost proiectată pe roată care a traversat intermitent fantele, ajungând la o oglindă plasată la o distanță mare care reflecta lumina înapoi spre roată. Întoarcerea a vorbit, de când roata a fost rotită, a trecut prin următoarea fantă. Din aceasta, cunoscută distanța parcursă de lumină și cunoscut intervalul de timp în care roata a făcut rotația necesară, Fizeau a calculat viteza luminii cu o mică eroare.

Experiența lui Michelson și Morley

Același subiect în detaliu: experimentul Michelson-Morley .

Când modelul luminii ca flux de particule, propus de Descartes și susținut de Isaac Newton , a fost respins, modelul de undă, succesorul său, a pus problema existenței unui mediu care susținea oscilațiile. Acest mediu ipotetic, numit eter , trebuia să aibă caracteristici foarte specifice: elastic, lipsit de masă și rezistență la mișcarea corpurilor, trebuia să transporte lumina pe măsură ce un curent trage o barcă sau vântul undele sonore . Un vânt eteric trebuia să ducă lumina . Pentru a verifica prezența eterului prin efectul de tragere, Albert Abraham Michelson și Edward Morley au repetat o experiență cu un interferometru de mai multe ori.

Un interferometru Michelson : experimentul original a folosit mai multe oglinzi decât se arată. Lumina a fost reflectată înainte și înapoi de mai multe ori înainte de recombinare.

Dacă, din cauza vântului eterului, viteza de propagare a luminii în cele două brațe ale interferometrului ar fi fost diferită, cele două fascicule de lumină ar fi luat un timp diferit pentru a se întâlni din nou și, prin urmare, oscilațiile din cele două fascicule ar fi au prezentat o diferență de fază δ, ca în funcțiile sinusoidale:

A(t)=A_{0}\operatorname {sen} (\omega t)

{\ displaystyle A (t) = A_ {0} \ operatorname {sen} (\ omega t)}

{\ displaystyle A (t) = A_ {0} \ operatorname {sen} (\ omega t)}

A(t)=A_{0}\operatorname {sen} (\omega t+\delta )

{\ displaystyle A (t) = A_ {0} \ operatorname {sen} (\ omega t + \ delta)}

{\ displaystyle A (t) = A_ {0} \ operatorname {sen} (\ omega t + \ delta)}

Acest lucru a provocat formarea de franjuri de interferență la trecerea printr-o fantă de aproximativ o jumătate de milimetru între două cărți plasate în fața unei surse de lumină la mică distanță de ochi. Franjurile ar fi trebuit să se miște odată cu schimbarea orientării instrumentului față de vântul eteric. Diferența așteptată în timpii necesari pentru ca lumina să parcurgă brațele interferometrului paralel și perpendicular pe vântul eter este ușor calculată.

În numeroasele experiențe ale lui Michelson , Morley și alții, deplasarea unor astfel de franjuri nu a fost niciodată observată, indiferent de modul în care a fost orientat interferometrul și de poziția Pământului de-a lungul orbitei sale. Explicația acestui rezultat conform lui Einstein a fost că nu există eter și că independența vitezei luminii față de direcția sa de propagare este o consecință evidentă a izotropiei spațiului. Eterul a devenit astfel pur și simplu inutil.

Calcul cu ecuațiile lui Maxwell

Este posibil să se obțină viteza luminii în vid (deoarece este o undă electromagnetică ), pornind de la ecuațiile lui Maxwell . Pornind de la a treia ecuație a lui Maxwell, aplicând operatorul rotorului la aceasta, obținem:

{\vec {\nabla }}\times ({\vec {\nabla }}\times {\vec {E}})=-{\vec {\nabla }}\times {\frac {\partial {\vec {B}}}{\partial t}}

{\ displaystyle {\ vec {\ nabla}} \ times ({\ vec {\ nabla}} \ times {\ vec {E}}) = - {\ vec {\ nabla}} \ times {\ frac {\ partial {\ vec {B}}} {\ partial t}}}

\ vec {\ nabla} \ times (\ vec {\ nabla} \ times \ vec {E}) = - \ vec {\ nabla} \ times \ frac {\ partial \ vec {B}} {\ partial t}

Ne amintim că:

{\vec {\nabla }}\times ({\vec {\nabla }}\times {\vec {E}})=-\nabla ^{2}{\vec {E}}+{\vec {\nabla }}({\vec {\nabla }}\cdot {\vec {E}})

{\ displaystyle {\ vec {\ nabla}} \ times ({\ vec {\ nabla}} \ times {\ vec {E}}) = - \ nabla ^ {2} {\ vec {E}} + {\ vec {\ nabla}} ({\ vec {\ nabla}} \ cdot {\ vec {E}})}

\ vec {\ nabla} \ times (\ vec {\ nabla} \ times \ vec {E}) = - \ nabla ^ {2} \ vec {E} + \ vec {\ nabla} (\ vec {\ nabla} \ cdot \ vec {E})

Dar, din moment ce considerăm o situație ideală sau prezența golului, avem asta ${\vec {\nabla }}\cdot {\vec {E}}=0$ ${\ displaystyle {\ vec {\ nabla}} \ cdot {\ vec {E}} = 0}$ $\ vec {\ nabla} \ cdot \ vec {E} = 0$ deoarece nu există taxe și asta ${\vec {J}}=0$ ${\ displaystyle {\ vec {J}} = 0}$ $\ vec {J} = 0$ deoarece nu există curent.

Din cele două ecuații, luând în considerare această ultimă considerație și având în vedere că operatorul de gradient este realizat în raport cu coordonatele spațiale, obținem:

\nabla ^{2}{\vec {E}}={\vec {\nabla }}\times {\frac {\partial {\vec {B}}}{\partial t}}={\frac {\partial }{\partial t}}({\vec {\nabla }}\times {\vec {B}})

{\ displaystyle \ nabla ^ {2} {\ vec {E}} = {\ vec {\ nabla}} \ times {\ frac {\ partial {\ vec {B}}} {\ partial t}} = {\ frac {\ partial} {\ partial t}} ({\ vec {\ nabla}} \ times {\ vec {B}})}

\ nabla ^ {2} \ vec {E} = \ vec {\ nabla} \ times \ frac {\ partial \ vec {B}} {\ partial t} = \ frac {\ partial} {\ partial t} (\ vec {\ nabla} \ times \ vec {B})

În acest moment, folosind a patra ecuație a lui Maxwell, obținem prima dintre cele două ecuații ale undelor electromagnetice:

\nabla ^{2}{\vec {E}}=\varepsilon _{0}\mu _{0}{\frac {\partial ^{2}{\vec {E}}}{\partial t^{2}}}

{\ displaystyle \ nabla ^ {2} {\ vec {E}} = \ varepsilon _ {0} \ mu _ {0} {\ frac {\ partial ^ {2} {\ vec {E}}} {\ partial t ^ {2}}}}

{\ displaystyle \ nabla ^ {2} {\ vec {E}} = \ varepsilon _ {0} \ mu _ {0} {\ frac {\ partial ^ {2} {\ vec {E}}} {\ partial t ^ {2}}}}

Această ecuație seamănă cu ecuația de undă d'Alembert, a cărei expresie generală este

\nabla ^{2}u-{\frac {1}{v^{2}}}{\partial ^{2}u \over {\partial t^{2}}}=0

{\ displaystyle \ nabla ^ {2} u - {\ frac {1} {v ^ {2}}} {\ partial ^ {2} u \ over {\ partial t ^ {2}}} = 0}

\ nabla ^ 2u - \ frac {1} {v ^ 2} {\ partial ^ 2 u \ over {\ partial t ^ 2}} = 0

unde v este viteza undei. În acest caz

v={\frac {1}{\sqrt {\varepsilon _{0}\mu _{0}}}}.

{\ displaystyle v = {\ frac {1} {\ sqrt {\ varepsilon _ {0} \ mu _ {0}}}}.}

{\ displaystyle v = {\ frac {1} {\ sqrt {\ varepsilon _ {0} \ mu _ {0}}}}.}

Reducerea c

Viteza luminii este legată de proprietățile electromagnetice ale mediului în care se propagă: tocmai de permitivitatea electrică $\varepsilon$ ${\ displaystyle \ varepsilon}$ $\ varepsilon$ și permeabilitatea magnetică $\mu$ ${\ displaystyle \ mu}$ $\ mu$ :

c={\frac {1}{\sqrt {\mu \varepsilon }}}

{\ displaystyle c = {\ frac {1} {\ sqrt {\ mu \ varepsilon}}}}

{\ displaystyle c = {\ frac {1} {\ sqrt {\ mu \ varepsilon}}}}

se referă de obicei la gol: $c=c_{0}c_{r}$ ${\ displaystyle c = c_ {0} c_ {r}}$ ${\ displaystyle c = c_ {0} c_ {r}}$ , $\varepsilon =\varepsilon _{0}\varepsilon _{r}$ ${\ displaystyle \ varepsilon = \ varepsilon _ {0} \ varepsilon _ {r}}$ ${\ displaystyle \ varepsilon = \ varepsilon _ {0} \ varepsilon _ {r}}$ Și $\mu =\mu _{0}\mu _{r}$ ${\ displaystyle \ mu = \ mu _ {0} \ mu _ {r}}$ ${\ displaystyle \ mu = \ mu _ {0} \ mu _ {r}}$ , în care relația devine în special:

c_{0}={\frac {1}{\sqrt {\mu _{0}\varepsilon _{0}}}}

{\ displaystyle c_ {0} = {\ frac {1} {\ sqrt {\ mu _ {0} \ varepsilon _ {0}}}}}

{\ displaystyle c_ {0} = {\ frac {1} {\ sqrt {\ mu _ {0} \ varepsilon _ {0}}}}}

unde este $c_{0}$ ${\ displaystyle c_ {0}}$ $c_0$ este viteza luminii în vid, $\varepsilon _{0}$ ${\ displaystyle \ varepsilon _ {0}}$ $\ varepsilon_0$ este permitivitatea electrică a vidului e $\mu _{0}$ ${\ displaystyle \ mu _ {0}}$ $\ mu_0$ permeabilitatea magnetică a vidului .

Trecând prin materiale, lumina suferă evenimente de dispersie optică și, în multe cazuri de interes, se propagă cu o viteză mai mică decât $c_{0}$ ${\ displaystyle c_ {0}}$ $c_0$ , printr-un factor numit indicele de refracție al materialului. Viteza luminii în aer este doar puțin mai mică decât $c_{0}$ ${\ displaystyle c_ {0}}$ $c_0$ . Materialele mai dense, cum ar fi apa și sticla, încetinesc lumina până la fracțiuni de 3/4 și 2/3 din $c_{0}$ ${\ displaystyle c_ {0}}$ $c_0$ . Există, de asemenea, materiale speciale, numite metamateriale , care au un indice de refracție negativ. Lumina pare să încetinească din cauza unui impact inelastic : este absorbită de un atom al materialului traversat care este excitat și returnează lumina într-o direcție întârziată și deviată.

În 1999 , un grup de oameni de știință condus de Lene Hau a reușit să încetinească viteza unui fascicul de lumină până la aproximativ 61 km / h . În 2001 , au reușit să oprească momentan o grindă. A se vedea: condensat Bose-Einstein pentru mai multe informații.

În ianuarie 2003 , Mikhail Lukin , împreună cu oamenii de știință de la Universitatea Harvard și Institutul Lebedev din Moscova , au reușit să oprească complet lumina din interiorul unui gaz de atomi de rubidiu la o temperatură de aproximativ 80 ° C: atomii, pentru a folosi cuvintele lui Lukin , „s-au comportat ca niște oglinzi mici” (Dumé, 2003), datorită tiparelor de interferență a două raze „de control”. (Dumé, 2003)

În iulie 2003, la Universitatea din Rochester, Matthew Bigelow , Nick Lepeshkin și Robert Boyd au încetinit și au accelerat lumina la temperatura camerei într-un cristal alexandrit prin exploatarea modificărilor indicelui de refracție datorită interferenței cuantice . Două fascicule laser sunt trimise pe cristal, în anumite condiții, unul dintre cele două suferă o absorbție redusă într-un anumit interval de lungimi de undă , în timp ce indicele de refracție crește în același interval, sau „gaură spectrală”: viteza grupului este deci foarte mică . În schimb, folosind diferite lungimi de undă, a fost posibil să se producă un "anti-orificiu spectral", în care absorbția este mai mare și, prin urmare, la propagarea superluminală . Viteze de 91 m / s au fost observate pentru un laser cu o lungime de undă de 488 nanometri și -800 m / s ^{[ fără sursă ]} pentru lungimi de undă de 476 nanometri. Viteza negativă indică propagarea superluminală , deoarece impulsurile par să iasă din cristal înainte de a intra în el.

În septembrie 2003, Shanhui Fan și Mehmet Fatih Yanik de la Universitatea Stanford au propus o metodă de blocare a luminii în interiorul unui dispozitiv în stare solidă , în care fotonii săritură între stâlpii semiconductori creând un fel de undă staționară . Rezultatele au fost publicate în Physical Review Letters din februarie 2004 .

Calcul cu relativitate specială și cu relativitate generală

Formula care descrie spațiul-timp în teoria specială a relativității a fost utilizată de Einstein pentru calculul vitezei luminii:

\Delta s^{2}=\Delta x^{2}+\Delta y^{2}+\Delta z^{2}-c^{2}\Delta t^{2}

{\ displaystyle \ Delta s ^ {2} = \ Delta x ^ {2} + \ Delta y ^ {2} + \ Delta z ^ {2} -c ^ {2} \ Delta t ^ {2}}

{\ displaystyle \ Delta s ^ {2} = \ Delta x ^ {2} + \ Delta y ^ {2} + \ Delta z ^ {2} -c ^ {2} \ Delta t ^ {2}}

În relativitatea generală, expresia elementului $d s$ ${\ displaystyle ds}$ $ds$ este dat de tensorul fundamental covariant:

ds^{2}=g_{\mu \nu }dx^{\mu }dx^{\nu }

{\ displaystyle ds ^ {2} = g _ {\ mu \ nu} dx ^ {\ mu} dx ^ {\ nu}}

ds ^ 2 = g _ {\ mu \ nu} dx ^ {\ mu} dx ^ {\ nu}

Einstein a observat apoi că, dacă direcția este cunoscută, adică relațiile sunt cunoscute $dx_{1}:dx_{2}:dx_{3}$ ${\ displaystyle dx_ {1}: dx_ {2}: dx_ {3}}$ $dx_1: dx_2: dx_3$ , ecuația lui $d s$ ${\ displaystyle ds}$ $ds$ returnează cantitățile

dx_{1}/dx_{4}

{\ displaystyle dx_ {1} / dx_ {4}}

dx_1 / dx_4

,

dx_{2}/dx_{4}

{\ displaystyle dx_ {2} / dx_ {4}}

dx_2 / dx_4

,

dx_{3}/dx_{4}

{\ displaystyle dx_ {3} / dx_ {4}}

dx_3 / dx_4

,

și, în consecință, viteza (definită în sensul geometriei euclidiene):

\gamma ={\sqrt {(dx_{1}/dx_{4})^{2}+(dx_{2}/dx_{4})^{2}+(dx_{3}/dx_{4})^{2}}}

{\ displaystyle \ gamma = {\ sqrt {(dx_ {1} / dx_ {4}) ^ {2} + (dx_ {2} / dx_ {4}) ^ {2} + (dx_ {3} / dx_ { 4}) ^ {2}}}}

\ gamma = \ sqrt {(dx_1 / dx_4) ^ 2 + (dx_2 / dx_4) ^ 2 + (dx_3 / dx_4) ^ 2}

.

Ultima formulă este cea a calculului modulului unui vector , aplicat la viteza vectorului luminii.

Spațiul-timp are patru dimensiuni, în timp ce cel euclidian are trei: pentru a utiliza geometria euclidiană, a fost făcută o restricție de la patru la trei dimensiuni, eliminând cea temporală.

Exprimarea celor trei termeni spațiali în unități de timp (este împărțit la $dx_{4}$ ${\ displaystyle dx_ {4}}$ $dx_4$ ) obținem componentele vectorului viteză.

Termenul $dx_{4}$ ${\ displaystyle dx_ {4}}$ $dx_4$ este derivat prin diferență de relativitatea specială, observați ceilalți trei termeni.

Intervalul spațiu-timp $d s$ ${\ displaystyle ds}$ $ds$ poate fi rescris ca:

\Delta s^{2}=\Delta x^{2}+\Delta y^{2}+\Delta z^{2}-c^{2}\Delta t^{2}

{\ displaystyle \ Delta s ^ {2} = \ Delta x ^ {2} + \ Delta y ^ {2} + \ Delta z ^ {2} -c ^ {2} \ Delta t ^ {2}}

{\ displaystyle \ Delta s ^ {2} = \ Delta x ^ {2} + \ Delta y ^ {2} + \ Delta z ^ {2} -c ^ {2} \ Delta t ^ {2}}

,

în care faptul că $c$ ${\ displaystyle c}$ $c$ reprezintă viteza luminii, în timp ce este relevant că există o constantă universală, în toate sistemele de referință, un factor de conversie între spațiu și timp.
Spațiul și timpul nu sunt aceleași, dar sunt indisolubil legate într-un continuum cu patru dimensiuni (ecuația este polinomială și, prin urmare, este o funcție continuă).

Același subiect în detaliu: spațiul-timp al lui Minkowski .

Termenul temporal este exprimat în unități de lumină pentru a fi sumabil la distanțe spațiale: semnul negativ are semnificația fizică că (dată $d s$ ${\ displaystyle ds}$ $ds$ constantă și tendință la zero) unde timpul se contractă, spațiul se extinde și invers, unde spațiul se contractă, timpul se extinde.
Termenul $d s$ ${\ displaystyle ds}$ $ds$ este un invariant la rotație, reflexie și translație, schimbări de coordonate:

\Delta s'^{2}=\Delta x'^{2}+\Delta y'^{2}+\Delta z'^{2}-c^{2}\Delta t'^{2}

{\ displaystyle \ Delta s '^ {2} = \ Delta x' ^ {2} + \ Delta y '^ {2} + \ Delta z' ^ {2} -c ^ {2} \ Delta t '^ { 2}}

{\ displaystyle \ Delta s '^ {2} = \ Delta x' ^ {2} + \ Delta y '^ {2} + \ Delta z' ^ {2} -c ^ {2} \ Delta t '^ { 2}}

,

din care vedem asta $c$ ${\ displaystyle c}$ $c$ este valoarea unei cantități care nu poate fi depășită.

Constant în toate sistemele de referință

Același subiect în detaliu: Compoziția vitezei .

În experiența directă, suntem obișnuiți cu regula aditivă a vitezei: dacă două mașini se apropie una de alta a 50 km / h , fiecare mașină este de așteptat să o perceapă pe cealaltă ca fiind apropiată 100 km / h (adică suma vitezelor respective). Din datele legate practic de experimentele cu acceleratoare de particule , devine evident că la viteze apropiate de cea a luminii regula aditivă nu mai este valabilă: două nave spațiale care călătoresc la 90% din viteza luminii față de un observator plasat între ele nu s-ar percepe reciproc ca se apropie de 180% din viteza luminii, dar ar avea o viteză aparentă de aproximativ 99,4475% din c . Acest lucru nu derivă din rezultatele experimentale, deoarece viteza maximă atinsă vreodată de un obiect creat de om este de 265 000 km / h, sau 73 611 m / s, deci mult mai mică.

Acesta este un rezultat teoretic dat de formula lui Einstein pentru compoziția vitezei :

u={v+w \over 1+{\frac {v\cdot w}{c^{2}}}}

{\ displaystyle u = {v + w \ over 1 + {\ frac {v \ cdot w} {c ^ {2}}}}}

u = {v + w \ over 1 + \ frac {v \ cdot w} {c ^ 2}}

unde este $v$ ${\ displaystyle v}$ $v$ Și $w$ ${\ displaystyle w}$ $w$ sunt viteza navelor spațiale în raport cu observatorul e $tu$ ${\ displaystyle u}$ $tu$ este viteza percepută de fiecare navă spațială. Indiferent de viteza cu care un observator se mișcă față de altul, ambii vor măsura viteza unui fascicul de lumină cu aceeași valoare constantă c . Experimentele inspirate de teoria relativității confirmă direct și indirect că viteza luminii are o valoare constantă, independentă de mișcarea observatorului și a sursei.

Deoarece viteza luminii în vid este constantă, este convenabil să se măsoare distanțele în termeni de $c_{0}$ ${\ displaystyle c_ {0}}$ $c_0$ . După cum sa menționat deja, în 1983 contorul a fost redefinit în raport cu $c$ ${\ displaystyle c}$ $c$ . În special, un metru este partea 299 792 458 a distanței parcurse de lumină într-o secundă. Distanțele din experimentele de fizică și astronomie sunt în mod obișnuit măsurate în secunde lumină , minute lumină și ani lumină .

Viteza limitată permisă în lumea fizică

$c_{0}$ ${\ displaystyle c_ {0}}$ $c_0$ , o cantitate fixă independentă de sistemul de referință conform relativității speciale, este viteza maximă cu care o entitate fizică poate călători ca energie și informație în spațiul-timp al lui Minkowski , modelată pe baza faptului că pentru fiecare eveniment este posibilă trasarea unui con de lumină și împărțiți spațiul în regiuni disjuncte: viitorul, trecutul și prezentul evenimentului. Materia nu poate atinge c datorită creșterii progresive a inerției până la valori care tind spre infinit.

Această limită a spațiului fizic se bazează pe structura cauzală e $c_{0}$ ${\ displaystyle c_ {0}}$ $c_0$ constituie o constantă pe care se bazează și se articulează întreaga teorie referitoare la dimensionalitatea universului fizic observabil în care ne mișcăm. $c_{0}$ ${\ displaystyle c_ {0}}$ $c_0$ este deci viteza maximă a tuturor particulelor fără masă și a câmpurilor lor. Chiar și particulele imaginare, cum ar fi tahioni , în timp ce călătoresc cu viteze mai mari decât cele ale luminii, nu pot fi încetinite la viteze subluminale, ci pot fi accelerate doar. De asemenea, în acest caz, în prezent pur și simplu o construcție teoretică, $c_{0}$ ${\ displaystyle c_ {0}}$ $c_0$ rămâne un zid de netrecut. Cu toate acestea, există situații, în domeniul mecanicii cuantice , care implică efecte instantanee, cum ar fi încurcarea cuantică , în care, deși nu se transmit informații, o stare cuantică este teleportată ; aceste efecte au fost observate experimental (a se vedea experimentul de corelare cuantică Aspect ).

Efecte „superluminale”

Același subiect în detaliu: Viteza superluminală și Tahionul .

În prezent, se știe și se demonstrează conform ecuațiilor relativității einsteiniene că nici o particulă nu poate depăși această viteză, dar țesătura spațiului poate depăși această viteză, deoarece de fapt a fost observată odată cu expansiunea universului, spațiul se extinde de fapt mai repede decât lumina. și chiar în accelerație continuă care, prin urmare, conform efectelor relativiste, spațiul poate avea o viteză arbitrar mai mare decât cea a luminii. Fiecare zonă a universului dincolo de raza Hubble (aproximativ 4,5 Gigaparsec) se extinde și se retrage de la observator dincolo de viteza luminii.

După cum sa menționat mai sus, la starea actuală a cunoștințelor teoretice $c$ ${\ displaystyle c}$ $c$ este doar o barieră de netrecut, dar la starea actuală a cunoștințelor experimentale nu se cunosc obiecte materiale cu viteză mai mare (tahioni) și, prin urmare, este viteza maximă în universul oricărei particule, în timp ce spațiul poate depăși această viteză și are de fapt s-a observat că se extinde la viteze mai mari, unde, prin urmare, lumina nu va atinge niciodată punctul de observație, constituind orizontul universului dincolo de care materia se retrage de la observator dincolo de viteza luminii.

Efectul Cherenkov este un efect superluminal, dar se datorează particulelor care călătoresc sub c _0, dar deasupra c mediului în care se mișcă, care „frânează” emițând radiații. Limita impusă de relativitatea specială pentru viteză nu este deci o limită a vitezei de propagare a obiectelor și semnalelor, ci este o limită a vitezei cu care informațiile pot fi propagate. Deși aceste două lucruri coincid aproape întotdeauna, această distincție subtilă permite, în unele cazuri particulare, obținerea așa-numitelor efecte superluminale . În aceste cazuri, impulsuri scurte de lumină pot fi văzute trecând obstacole cu o viteză aparent mai mare de $c_{0}$ ${\ displaystyle c_ {0}}$ $c_0$ . Depășirea vitezei de lumină a grupului în acest mod este comparabilă cu depășirea vitezei sunetului aranjând o linie de oameni distanțată corespunzător și făcându-i să strige „Sunt aici!”, Unul după altul la intervale scurte cronometrate de un ceas, astfel încât să nu trebuiască să audă vocea persoanei anterioare înainte de a putea țipa. Cu toate acestea, în acest tip de fenomene, viteza de fază a unui pachet (mai multe frecvențe) este mai mică decât cea a luminii.

Conform teoriilor relativității speciale și generale nu este posibil ca informațiile să fie transmise mai repede decât $c_{0}$ ${\ displaystyle c_ {0}}$ $c_0$ într-un spațiu-timp uniform, chiar dacă atunci orice două obiecte care se află la o distanță dincolo de raza Hubble, se îndepărtează de fapt unul de celălalt la viteze mai mari decât cea a luminii.

Existența găurilor de vierme , adică fenomene care permit transferul de materie sau energie de la un punct la altul din univers, nu este susținută de dovezi experimentale; și chiar dacă ar exista, nu ar fi un efect superluminar, deoarece spațiul acoperit de informații nu ar fi distanța măsurată de noi, ci distanța scurtată de „scurtătură”.

Aparent se observă obiecte astrofizice superluminale ( stele și galaxii ). Pentru acest tip de obiect, trucul constă în mișcarea de apropiere a acestor obiecte către Pământ. Viteza unui obiect poate fi pur și simplu măsurată ca distanța dintre două puncte traversate de obiect împărțit la timpul necesar acestei călătorii. Pentru obiectele astrofizice, informațiile spațiale și temporale despre punctele de început și de sfârșit ale călătoriei sunt transmise observatorului prin lumină. Dacă punctul final este mai aproape de observator decât punctul de pornire, lumina punctului de pornire este întârziată și cea a punctului final este anticipată la sosirea sa pe Pământ . Călătoria este astfel începută mai târziu și terminată mai devreme, adică minoră. Prin urmare, poate rezulta și o viteză aparentă mai mare decât cea a luminii.

Experimentul OPERA și observațiile MINOS

În prezent, nu au fost concepute experimente fizice de particule „mari” special pentru a testa superabilitatea $c_{0}$ ${\ displaystyle c_ {0}}$ $c_0$ .

Unele generalizări ale relativității speciale au fost ipotezate de ceva timp. În 2007 la MINOS din Minnesota , a fost inaugurat în 2005 un experiment pe neutrini care funcționează cu particule de la Fermilab , a avut loc o experiență în care, studiind oscilația neutrinilor , s-au măsurat viteza anormală a acestor particule, dar incertitudinea mai mare cu privire la pozițiile exacte de detector și emisie a făcut posibilă o depășire a $c_{0}$ ${\ displaystyle c_ {0}}$ $c_0$ . ^[3]

În septembrie 2011, un grup de oameni de știință de la Laboratoarele Naționale Gran Sasso , ca parte a experimentului OPERA , au publicat rezultatele unor observații colaterale ale cercetărilor menite să definească și să verifice oscilația neutrinilor. Prima analiză a acestor observații a indicat, chiar ținând cont de incertitudinile de măsurare, că fasciculele de neutrini muonici , lansate de la CERN la Geneva către Gran Sasso , au călătorit cu o viteză mai mare decât lumina cu o parte din 40.000, cu un procent diferență calculată inițial a ${\frac {v-c}{c}}=\left(2{,}48\pm 0{,}58\right)\times 10^{-5}$ ${\ displaystyle {\ frac {vc} {c}} = \ left (2 {,} 48 \ pm 0 {,} 58 \ right) \ times 10 ^ {- 5}}$ ${\ displaystyle {\ frac {v-c} {c}} = \ left (2 {,} 48 \ pm 0 {,} 58 \ right) \ times 10 ^ {- 5}}$ ; acest lucru ar fi sugerat o revizuire și extindere a relativității speciale, probabil cu sprijinul teoriei șirurilor . ^[4] Cu toate acestea, după câteva luni, la 22 februarie 2012, aceiași cercetători responsabili pentru proiect au recunoscut că instrumentele au fost calibrate prost și că amploarea anomaliei a fost doar evidentă. ^[5] ^[6]

Notă

^ Uniunea internațională de chimie pură și aplicată (IUPAC), IUPAC - viteza luminii în vid (S05854) , la goldbook.iupac.org . Adus pe 19 mai 2021 .
^ (RO) De ce este simbolul c pentru viteza luminii? , pe math.ucr.edu .
^ (EN) Măsurarea vitezei neutrino cu detectorii de fascicule de neutrini MINOS și zei , de la arxiv.org. Adus la 16 decembrie 2013 .
^ (EN) Măsurarea vitezei neutrino cu detectorul OPERA în fasciculul CNGS , pe arxiv.org. Adus la 16 decembrie 2013 .
^ Neutrinos: noi teste în mai , pe ansa.it. Adus la 16 decembrie 2013 .
^ Note de curs despre Fizica 3, Batignani .

Bibliografie

( EN ) Max Born și Emil Wolf, Principiile opticii: teoria electromagnetică a propagării, interferenței și difracției luminii , Cambridge University Press.
Corrado Mencuccini și Vittorio Silvestrini, Fizica II (Electromagnetică și Optică) , ediția a III-a, Napoli, Liguori Editore, septembrie 1998, ISBN 978-88-207-1633-2 .
( DE ) Albert Einstein , Zur Elektrodynamik bewegter Körper ( PDF ), în Annalen der Physik , vol. 17, 30 giugno 1905, pp. 891–921. URL consultato il 6 giugno 2010 (archiviato dall' url originale il 29 dicembre 2009) .

Voci correlate

Altri progetti

Wikiquote contiene citazioni di o su velocità della luce
Wikimedia Commons contiene immagini o altri file su velocità della luce

Collegamenti esterni

( EN ) Velocità della luce , su Enciclopedia Britannica , Encyclopædia Britannica, Inc.

Controllo di autorità	LCCN ( EN ) sh85076878 · GND ( DE ) 4167583-6

Portale Elettromagnetismo

Portale Fisica

Portale Metrologia

[1] Uniunea internațională de chimie pură și aplicată (IUPAC), IUPAC - viteza luminii în vid (S05854) , la goldbook.iupac.org . Adus pe 19 mai 2021 .

[2] (RO) De ce este simbolul c pentru viteza luminii? , pe math.ucr.edu .

[3] (EN) Măsurarea vitezei neutrino cu detectorii de fascicule de neutrini MINOS și zei , de la arxiv.org. Adus la 16 decembrie 2013 .

[4] (EN) Măsurarea vitezei neutrino cu detectorul OPERA în fasciculul CNGS , pe arxiv.org. Adus la 16 decembrie 2013 .

[5] Neutrinos: noi teste în mai , pe ansa.it. Adus la 16 decembrie 2013 .

[6] Note de curs despre Fizica 3, Batignani .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]