О постоянстве скорости света
Поскольку в пространстве можно выделить множество покоящихся тел (в том числе или в большинстве своем двигающихся прямолинейно и равномерно), которые могут выступать в качестве систем отсчета, то понятие движения становится относительным. Ведь если одна из систем отсчета двигается быстрее другой, то наблюдаемое из нее перемещение какого-либо тела будет не таким, как в другой системе отсчета. При этом законы движения тел в любой из таких систем одинаковы. Однако из этого "правила" есть исключение. Распространение света не укладывается в привычные рамки относительности движения.
Свет в вакууме распространяется со скоростью около 300000 км/с. Особенно поразительно в этом даже не большая величина скорости, а то, что она отличается строгим постоянством. Луч нельзя замедлить в вакууме. Например, пуля, пробивающая ящик с песком и походящая сквозь него, теряет часть своей скорости и потом летит медленнее. Но если на пути луча света поставить стеклянную пластинку, то во время прохождения пластинки скорость света уменьшится, поскольку в стекле она меньше, чем в пустоте. Однако, выйдя из пластинки, свет вновь пойдет со скоростью 300000 км/с.
Распространение света в вакууме, в отличие от всех других движений, обладает тем важнейшим свойством, что его нельзя замедлить или ускорить. Какие бы изменения ни претерпевал луч света в веществе, по выходе в пустоту он распространяется с прежней скоростью.
Кроме того, скорость света одинакова при всех источниках света. В то время как скорость той же пули зависит от конструкции ружья и свойств пороха.
В этом отношении распространение света похоже не на движение обычных тел, а на явление распространения звука. Звук есть колебательное движение той среды, в которой он распространяется. Поэтому его скорость определяется свойствами среды, а не свойствами звучащего тела: скорость звука, подобно скорости света, не может быть ни уменьшена, ни увеличена даже посредством пропускания звука через какие-нибудь тела.
Если, например, на пути его распространения поставить перегородку из металла, то, изменив свою скорость внутри этой перегородки, звук обретет первоначальную скорость, как только вновь вернется в первоначальную среду.
Поместим под колпак воздушного насоса электрическую лампочку и электрический звонок, а затем начнем выкачивать воздух. Звук звонка будет ослабляться, пока совсем не перестанет быть слышимым, лампочка же продолжает светить по-прежнему.
Этот опыт прямо показывает, что звук распространяется только в вещественной среде, свет же может распространяться и в пустоте. В этом существенное между ними различие.
Представим равномерно движущийся поезд. Будем ли мы стрелять из ружья по направлению движения поезда или навстречу ему, скорость пули относительно стенок вагона будет всегда одной и той же — равной скорости полета пули в неподвижном поезде. Дело в том, что скорость пули зависит от скорости, с которой движется ружье. И на самом деле (для стороннего наблюдателя, того, кто стоит на пироне) скорости пуль, выстреленных вперед и назад, будут различаться.
Скорость же света не изменяется от изменения скорости перемещения лампочки. Это значит, что сторонний наблюдатель видит, что в движущемся поезде свет идет вперед и назад с одинаковой скоростью. Но тогда для наблюдателя в поезде лучи должны двигаться с разной. Ведь если луч отправлен по ходу движения, он должен догонять уходящую от него переднюю часть поезда, то есть двигаться медленнее 300000 км/с. Если луч отправлен назад, то он быстрее встретится с задней частью поезда, и наблюдателю в поезде будет казаться, что свет движется быстрее, чем 300000 км/с.
Однако это входит в противоречие с тем, что скорость света не может превышать 300000 км/с. Ответ GPT:
Если двигаться навстречу лучу света, то скорость света будет казаться больше 300000?
Нет, скорость света останется прежней и будет равна приблизительно 300000 км/с. Согласно специальной теории относительности (СТО) Альберта Эйнштейна, скорость света в вакууме (c) является абсолютной величиной. Это означает, что она одинакова для всех наблюдателей, независимо от того, насколько быстро и в каком направлении они движутся относительно источника света.
Объяснение
В классической физике (механике Ньютона) скорости складываются просто: если вы бежите навстречу поезду, ваша относительная скорость равна сумме ваших скоростей. Однако для скоростей, близких к световым, этот закон не работает. Вместо него используется релятивистская формула сложения скоростей:
Где: v — ваша скорость; u — скорость света (c); V — результирующая скорость. Если подставить в формулу значение
u=c, то после сокращений результат всегда будет равен c:
При движении навстречу лучу света вы измените не его скорость, а его энергию и частоту. Это явление называется релятивистским эффектом Доплера: свет будет казаться вам более высокочастотным (произойдет "синее смещение"), но прибор все равно зафиксирует стандартную скорость м/с.
Можно сравнить поезд и Землю. Естественно было бы ожидать, что и на Земле, как и в нашем поезде, свет будет вести себя столь же странно: в разные стороны распространяться с неодинаковой скоростью.
В 1881 году Майкельсоном был произведен опыт, который с весьма высокой точностью измерил скорость света в различных направлениях относительно Земли. Чтобы уловить ожидавшуюся небольшую разницу в скоростях, Майкельсону пришлось воспользоваться очень тонкой экспериментальной техникой и проявить в этом отношении огромную изобретательность. Точность опыта была велика, что можно было бы обнаружить и гораздо меньшую разницу в скоростях, чем предполагавшаяся.
Опыт Майкельсона, неоднократно с тех пор повторявшийся в самых различных условиях, привел к совершенно неожиданному результату. Распространение света в движущейся лаборатории в действительности оказалось протекающим совсем иначе, чем это следовало из рассуждений выше. А именно, Майкельсон обнаружил, что на движущейся Земле свет распространяется по всем направлениям с совершенно одинаковой скоростью. В этом отношении распространение света происходит так же, как и полет пули, — независимо от движения лаборатории, с одинаковой скоростью относительно ее стен по всем направлениям.
Таким образом, опыт Майкельсона показал, что явление распространения света, в противоположность нашим рассуждениям, нисколько не противоречит принципу относительности движения, а, напротив, находится в полном с ним согласии.