Скорость света

Из песочницы Природа даёт подсказку, как двигаться быстрее скорости света

01.10.2020 12:15:50 |

Автор: admin

Вряд ли кто-нибудь отказался бы попутешествовать по нашей галактике или хотя бы облететь солнечную систему. Но как покрыть такие расстояния за короткие промежутки времени? Начать придётся издалека, потому что ключ к этому, возможно, лежит где-то среди волн.

Волны на поверхности воды

Как известно, волны в разных средах бывают разные. Волны существуют, например, на поверхности воды. Мы можем видеть эти волны невооружённым глазом, иногда, но не всегда, можем видеть их источник, можем слышать плеск воды. Эти волны поперечные. Скорость этих волн настолько мала, что её может преодолеть, например, водоплавающая птица утка. Даже любой читатель, умеющий плавать, может сделать это в воде, а может двигаться с большей скоростью пешком на суше. След, оставляемый объектами на поверхности воды называется кильватерным следом. В научной среде не принято утверждать, что скорость кораблей, плывущих по поверхности воды, или скорость пешеходов ограничена скоростью поверхностных волн на воде. То есть научно не запрещается передвигаться быстрее волн на поверхности воды. Равно и природа никак не препятствует перемещаться быстрее, чем волны на поверхности воды.

Вот так утка и даже утята преодолевают скорость поверхностных волн:

А ещё ниже корабли преодолевают скорость поверхностных волн:

Волны в воздухе

Кроме того, волны существуют в воздушной среде, то есть в атмосфере. Эти волны мы уже не можем видеть, но иногда можем видеть их источник, например колеблющуюся струну. Мы можем слышать эти волны, а если говорить точнее, можем определять направление на источник, используя органы слуха. Такие волны уже не поперечные, а продольные и могут существовать не только в газах, но и в жидкостях и даже в твёрдых телах. След, оставляемый объектами, движущимися в атмосфере быстрее скорости звуковых волн называется конусом Маха, его сечение плоскостью напоминает поверхностную волну на воде, что может говорить об одной природе этих явлений. Надо сказать, что до появления реактивного движения в науке считалось, что преодолеть скорость звука невозможно. Но запрет, к счастью, был снят и произошло это относительно недавно. Если говорить на чистоту, то ещё раньше утверждалось, что аппарат тяжелее воздуха лететь не сможет. Всё это очень быстро забыли. И теперь в научной среде тоже не принято утверждать, что скорость пули или самолёта ограничена скоростью звуковых волн. Природа тоже не запрещает передвигаться быстрее звуковых волн в той среде, в которой эти волны существуют.

Вот, например, пуля преодолевает скорость звуковых волн:

Волны электромагнитные

И, наконец, самое интересное, волны бывают ещё и электромагнитными. Это такие же поперечные волны как и волны на поверхности воды, но они могут распространяться как звуковые волны в разных средах в разные стороны, а не только вдоль границ между ними. И так уж устроены наши органы зрения, что некоторые (далеко не все, и даже близко не все) из этих электромагнитных волн мы можем воспринимать невооружённым глазом, но тоже своеобразно. Мы не можем увидеть световую электромагнитную волну в процессе распространения так, как мы видим волны на поверхности воды. Но мы можем видеть источник электромагнитных волн, а если уж быть до конца точным, то мы можем определять направление с помощью органов зрения либо непосредственно на этот источник, либо на отражение источника в окружающих нас предметах. Наверняка все уже ждут ту самую подсказку, из заголовка. Так вот, в 1934 году Павел Алексеевич Черенков, будущий нобелевский лауреат обнаружил голубое свечение неизвестной природы. Выяснилось, что причина такого излучения это превышение движущимися заряженными частицами скорости электромагнитных волн в среде. Даже есть примерная картинка как это происходит, но ничего нового мы на ней не увидим, ведь природа та же, значит и проявление будет уже известным.

Вот она! Та самая подсказка, которая находится перед нами без малого уже почти 100 лет. Если кто-то пропустил, то прошу обратить внимание, частицы с массой (установлено, что это электроны) двигаются быстрее электромагнитных волн в данной среде. А если электрон уже может это сделать в жидкости, то что ему помешает это сделать в вакууме, ну или хотя бы в космическом пространстве? Очевидно, природа не против, если что-то материальное, обладающее массой, движется в какой-либо среде со скоростью, превышающей скорость света в этой же среде. И природа красноречиво нам подсказывает это через нобелевских лауреатов (не дадут соврать П.А. Черенков, Игорь Евгеньевич Тамм и Илья Михайлович Франк, 1958 г.). Может быть стоит уже обратить внимание на эту подсказку. Ведь если мы не можем пока построить двигатель, то возможно это и есть как минимум один из вариантов его создания. Однако это явление в научной среде не пользуется популярностью, хотя казалось бы наука должна уделять больше внимания неудобным вопросам, ведь именно это её продвигает вперёд.

Хотелось бы закончить на оптимистической ноте. Но, к сожалению, от появления прототипа до рабочего варианта проходит очень много времени. От первых винтов Архимеда и Леонардо да Винчи ну хорошо, пусть от появления винтовой модели Ломоносова (1754 г.) до использования винтового движения в самолетах братьев Райт (1903 г.) прошло почти 150 лет. От первого прототипа реактивного двигателя (пусть будет 1867 г.), до самолётов, использующих реактивное движение (1930 г.) прошло ещё 60 лет. Остаётся надеяться, что сейчас уже появился толковый инженер, со здоровым скептицизмом, а кроме скептицизма ему ещё понадобится упорство, целеустремлённость и ещё много-много чего. Если предположить, что в 1934 г. появился прототип, то прошло уже почти 100 лет и настала пора этому смекалистому инженеру превращать прототип в первую действительно рабочую машину, которая сможет если не преодолевать, то уверенно и быстро приближаться к скорости света. Очень боюсь, что многие будут инженера отговаривать, но надеюсь он никого не послушает и мы успеем застать появление первого околосветового двигателя.

Подробнее..

Категории: Научно-популярное , Физика , Скорость света

Скорость звука каков ее предел?

14.10.2020 10:20:11 |

Автор: admin

Одна из основных задач какой-либо точной науки заключается в измерении и объяснении тех или иных процессов, а также их участников. За многие годы исследований, расчетов и споров научное сообщество пришло к пониманию того, что существуют определенные ограничения в некоторых явлениях. К примеру, скорость света в вакууме равна 299 792 458 м/с. Согласно специальной теории относительности, ничто не может двигаться быстрее. Другими словами, мы имеем верхний скоростной лимит для света. Однако такой лимит для скорости звука пока не был установлен. Ученые из Лондонского университета королевы Марии (Англия, Великобритания) провели расчеты, результатом которых стало открытие верхнего предела скорости звука. Что стало основой расчетов, каковы их результаты, и в каких областях можно применить новообретенные знания? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.

Основа исследования

Звук это волны механических колебаний в какой-либо среде. Скорость распространения этих волн напрямую зависит от самой среды. К примеру, в твердых объектах звук распространяется быстрее, чем в воздухе. Однако и тут могут быть флуктуации в измерениях, поскольку важна не только среда как таковая, но и ее состояние (температура, давление и т.д.).

Логично, что скорость звука сложно назвать константой, так как в разных условиях она будет своя: в воздухе это 331 м/с, в воде 1500 м/с (тут будут вариации в зависимости от температуры, давления и солености воды), а в стекле 4800 м/с.

Но как же рассчитать верхний лимит скорости звука?

Как напоминают нам ученые, некоторые важные свойства конденсированных фаз* определяются фундаментальными физическими константами.

Конденсированные фазы* состояние вещества, когда число его компонентов (атомов, молекул и т.д.) крайне велико, а взаимодействия между компонентами очень сильны. К числу таких фаз можно отнести и твердые вещества, и жидкости.

Радиус Бора позволяет охарактеризовать межатомное расстояние в ангстрем (1 = 0.1 нм) масштабах с точки зрения массы электрона (me), заряда (e) и постоянной Планка (h). Эти же фундаментальные константы входят в энергию Ридберга*, задавая масштаб характерной энергии связи в конденсированных фазах и химических соединениях.

Постоянная Ридберга* предельное значение наивысшего волнового числа любого фотона, который может быть испущен атомом водорода. Также эта постоянная определяет волновое число фотона с наименьшей энергией, способного ионизировать атом водорода в его основном состоянии.

Тем не менее крайне важную в физике играют безразмерные и не зависящие от единиц измерения константы. К ним относятся постоянная тонкой структуры* и отношение массы протона к массе электрона*.

Постоянная тонкой структуры* () фундаментальной физической постоянной, которая характеризует силу электромагнитного взаимодействия. Эта постоянная определяет размер крайне малого изменения величины энергетических уровней атома и образования тонкой структуры, которые являются набором узких и близких частот в его спектральных линиях.

Отношение массы протона к массе электрона* (m_p/m_e константа, равная 1836,15267261.

Объединение этих констант позволяет определить новую безразмерную константу, описывающую верхнюю границу скорости звука (v_u) в конденсированных фазах (формула 1):

где c скорость света в вакууме, постоянная тонкой структуры, m_p/m_e отношение масс протона и электрона, v_u верхний предел скорости звука.

Подтверждение верности данной формулы было получено благодаря многочисленным экспериментам и моделированию атомарного водорода.

Результаты исследования

Авторы сего труда отмечают, что существует два подхода к определению v (скорости звука). Один поход начинается с оценки упругости системы, а второй с оценки ее вибрационных свойств. Оба подхода дают сопоставимые результаты (приготовьтесь, формул будет немало).

Что касается упругости системы, то продольная скорости звука равна: v = (M/p)^1/2, тогда как M = K + 4/3G, где K объемный модуль упругости; G модуль сдвига; p плотность.

Было установлено, что упругие постоянные определяются плотностью электромагнитной энергии в конденсированных фазах. В частности, была установлена четкая связь между модулем объемной упругости (K) и энергией связи (E): K = f E/a³, где а межатомное расстояние, f коэффициент пропорциональности.

Это соотношение может быть выведено с точностью до константы, задаваемой второй производной функции, представляющей зависимость энергии от объема. Для наиболее прочно атомарно связанных твердых тел f варьируется в диапазоне от 1 до 4. Также стоит учесть и коэффициент пропорциональности между M и E/a³, который варьируется от 1 до 6.

Объединение v = (M/p)^1/2 и М = f E/a³ в результате дает v = f^1/2(E/m)^1/2, где m масса атома или молекулы (в данном случае использовалась m = pa3). Коэффициент f^1/2 составляет примерно от 1 до 2 и может быть исключен в случае приблизительной оценки v. В таком случае мы получим (формула 2):

Энергия связи в конденсированных фазах определяется ридберговской энергией порядка нескольких электрон-вольт (формула 3):

где е заряд электрона, m масса электрона. E_R используется для оценки величины энергии связи (E).

Используя E = E_R из формулы 3 в формуле 2 мы получим (формула 4):

где = (1/4₀)(e²/hc) постоянная тонкой структуры.

Такой же результат, как и в формуле 4, можно получить и посредством второго подхода, где основной акцент поставлен на рассмотрении вибрационных свойств системы.

Продольную скорость звука (v) можно оценить как фазовую скорость по кривой продольной дисперсии [ = (k)] в приближении Дебая: v = _D/k_D, где _D это частота Дебая; k_D волновой вектор. Применение k_D = /a (a межатомное/межмолекулярное расстояние) приводит к (формула 5):

Как мы уже рассматривали ранее, характеристики межатомного разделения описываются радиусом Бора (a_B) в ангстрем масштабах (формула 6):

Далее было использовано отношение между фононной энергией (h_D) и E. Фононная энергия может быть выражена как h(E/ma²)^1/2. Если взять отношение h_D/E, использовать а = a_B из формулы 6 и E = E_R из формулы 3, то в результате получится (формула 7):

Применение формулы 7 в формуле 5 дает следующее (формула 8):

Сравнение данных расчетов с первым подходом указывает на то, что второй подход использует больше приближений, потому ученые решили на дальнейших этапах исследования использовать первый подход (формула 4), который является более точным.

Далее выбранный подход был проверен на более практическом уровне.

m_e характеризует электроны, которые отвечают за взаимодействия между атомами. Электронный вклад далее отражается в коэффициенте c (c e²/h), который представляет собой скорость электронов в модели Бора. Ученые отмечают, что с и v не зависят от c. Использование формулировки v в виде с в формуле 4 обусловлено двумя факторами.

Во-первых, так намного удобнее и информативнее представлять границу в отношении v_u/c, что обычно применяется в отношении скорости Ферми и скорости света (v_F/c).

Во-вторых, именно (наряду с m_p/m_e) имеет фундаментальное для стабильности протонов и обеспечения синтеза тяжелых элементов и, следовательно, существования твердых тел и жидкостей, в которых звук может распространяться.

m формула 4 характеризует атомы, участвующие в распространении звука. Его масштаб задается массой протона m_p: m = Am_p, где A атомная масса. Учитывая, что А = 1, а m = m_p, применение формулы 4 позволяет определить значение верхней границы скорости звука (формула 9):

Таким образом было показано, что v_u зависит только от фундаментальных физических констант, включая безразмерную постоянную тонкой структуры и отношение масс протона и электрона.

Вышеуказанная формула является расширенным вариантом формулы 4 для атомарного водорода. Объединение формул 4 и 9, при учете m = Am_p, позволяет получить (формула 10):

Что ж, теперь можно немного отдохнуть от формул и приступить к обсуждению расчетов и экспериментов.

Ученые отмечают, что хоть скорость звука определяется модулями упругости и плотностью, они существенно отличаются в зависимости от типа связи: сильные ковалентная, ионная или металлическая связи, обычно дающей большую энергию связи, промежуточные водородные связи, а также слабые дипольные и ван-дер-ваальсовые взаимодействиям. Модули упругости и плотность также меняются в зависимости от конкретной конструкции, которую принимает система. Кроме того, тип связи и структура сами по себе взаимозависимы: ковалентная связь приводят к образованию открытых структур, а ионная плотноупакованных. Следовательно, скорость звука для конкретной системы не может быть предсказана аналитически и без явного знания структуры и взаимодействий внутри нее, подобно другим системно-зависимым свойствам, таким как вязкость или теплопроводность.

Тем не менее зависимость v от m или A может быть изучена в семействе элементарных твердых тел. Элементарные твердые вещества не имеют смешанных особенностей, существующих в соединениях из-за смешанной связи между разными атомными разновидностями (включая смешанную ковалентно-ионную связь между одними и теми же парами атомов, а также разные типы связи между разными парами).

Изображение 1

Теория была проверена на практике с применением 36 различных элементарных твердых тел, в том числе полупроводников и металлов с большими энергиями связи. Результаты теоретических расчетов были объединены с результатами опытов на графике выше. Прямая линия на графике (формулу 10) оканчивается ее верхней теоретической границей (формула 9) для A = 1. Линейный коэффициент корреляции Пирсона*, рассчитанный для экспериментального набора (log A, log v), составил -0.71. Его абсолютное значение немного выше границы, условно разделяющей умеренную и сильную корреляции.

Коэффициент корреляции Пирсона* используется для изучения связи двух переменных, измеренных в метрических шкалах на одной и той же выборке.

Расчетные и экспериментальные значения v_u, показанные на графике прямой и пунктирной линиями, указывают на пересечение в точке 37.350 м/с, что подтверждает верность расчетных походов и, особенно, верность аппроксимации коэффициент в формуле 4, что дает хорошее согласование с экспериментальными данными.

Изображение 2

Далее было решено проверить согласование расчетных данных с экспериментальными с применением более широкого спектра образцов (133 образца). Экспериментальные значения v были меньше, чем верхняя теоретическая граница v_u в формуле 9. v_u примерно вдвое больше v в алмазе, это является самой высокой скоростью звука, измеренной в условиях окружающей среды.

Формула 10 может использоваться для приблизительного прогнозирования средней или характеристической скорости звука (v). A1/2, которая, согласно формуле 10, относится к скорости звука, варьируется по периодической таблице в диапазоне от 1 до 15 со средним значением 8. Согласно расчетам соответствующее значение v равно 4513 м/с. Это на 16% согласуется с 5392 м/с средним значением по всем элементарным твердым телам, и на 14% с 5267 м/с средним значением по всем твердым телам на графике выше.

В эксперименты также были включены данные по скорости звука в жидкости при комнатной температуре, которые варьируются от 1000 до 2000 м/с. Однако в высокотемпературных жидких металлах, таких как Al, Fe, Mg и Ni, v достигает более высоких значений в диапазоне от 4000 до 5000 м/с. Из этого следует, что скорость звука в жидкостях полностью удовлетворяет расчетную верхнюю границу скорости.

Ученые отмечают, что хоть приближения, использованные в некоторых формулах, и могут повлиять на вычисление v и его оценку, v_u все же формируется исходя из фундаментальных констант. Другими словами, в конечном итоге приближения не имеют столь значимого влияния.

Также было установлено, что рассчитанное значение верхней границы скорости звука применимо к твердым телам не только с сильной межатомной связью, но и со слабой. Формула 3, 6 и 7 предполагают, что валентные электроны непосредственно участвуют в связывании. Следовательно, они играют важную роль в системах с металлической, ковалентной и ионной связью. Несмотря на то, что связывание в твердых телах со слабой связью также имеет электромагнитное происхождение, слабые дипольные и ван-дер-ваальсовые взаимодействия приводят к меньшему E и, как результат, меньшему v. Потому из этого следует, что верхняя граница v_u применима и к слабосвязанным системам.

Ученые отмечают, что верхняя граница v_u соответствует твердому водороду с прочной металлической связью. Данная фаза вещества существует только при мегабарном давлении и динамически нестабильна при атмосферном давлении, где происходит образование молекул. Посему было решено провести расчеты v в атомарном водороде, чтобы подтвердить верность расчетов как таковых.

Расчеты скорость звука в атомарном водороде проводились с применением структуры I4₁/amd, которая является наилучшей структурой-образцом для твердого атомарного металлического водорода. Известно, что эта структура становится термодинамически стабильной в диапазоне давлений от 400 до 500 ГПа, ниже которого твердый водород является молекулярным твердым телом. Однако было обнаружено, что I4₁/amd динамически устойчива при давлениях выше примерно 250 ГПа, поэтому расчеты проводились в диапазоне давления от 250 до 1000 ГПа.

Изображение 3

На графике выше представлена скорость звука как функция давления и плотности. Рассчитанное значение скорости звука было ниже значения v_u в широком диапазоне давлений. Увеличение v выше расчетной верхней границы возникает лишь при давлении 600 ГПа и выше. Следовательно, при нормальных условиях скорость звука не будет превышать расчетную верхнюю границу.

Для более подробного ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых.

Эпилог

В данном труде ученые определили, что важнейшую роль в оценке максимально возможной скорости звука играют две фундаментальные константы постоянная тонкой структуры и отношение массы протона к массе электрона.

Проведенные расчеты были проверены на практике с применением разнообразных материалов. Эксперименты позволили установить, что скорость звука должна уменьшаться с атомарной массой. Из этого следует, что максимальная скорость звука достигается в твердом атомарном водороде, который может существовать в таком виде лишь при очень высоком давлении. Тем не менее было установлено, что верхняя граница скорости звука в рамках данного исследования составляет 36100 м/с. С практической точки зрения, подобные исследования крайне важны для понимания тех или иных материалов, а также их свойств.

Естественно, ученые не намерены останавливаться на достигнутом. Их расчеты и соответствующие экспериментальные данные требуют перепроверки, уточнения и дополнительного подтверждения. В будущем данное исследование будет продолжено, а верхняя граница скорости звука может неожиданно сместиться в большую или меньшую сторону ввиду новых данных. Как бы то ни было, фундаментальный подход остается прежним, а сам факт лучшего понимания процессов, протекающих вокруг нас, позволяет с уверенностью смотреть на развитие данного исследования.

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и хорошей всем рабочей недели, ребята. :)

Немного рекламы

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Equinix Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?

Подробнее..

Категории: Научно-популярное , Блог компании ua-hosting.company , Физика , Химия , Водород , Давление , Скорость света , Скорость звука , Максимальная скорость , Межатомные связи , Твёрдое тело , Звуковые волны , Масса протона , Масса электрона , Константы

Как древние шумеры повлияли на значение скорости света, и почему Великая Французская Революция не смогла им помешать

15.12.2020 02:07:06 |

Автор: admin

В продолжение статей про рекурсивно вычислимую Вселенную "Все есть бит" и "Кажется, мы близки к пониманию фундаментальной теории физики, и она прекрасна" я хотел бы поговорить про условность нашего понимания пространства и времени.

Из учебников физики нам известно, что скорость света в вакууме равна 299792458 метрам в секунду. Вы никогда не задумывались, почему такая фундаментальная физическая константа как скорость света имеет такое странное значение? Почему она равна приблизительно трехстам миллионам метров в секунду? Почему не больше и не меньше? В чем сакральный смысл этого числа?

Никакого сакрального смысла в этом числе, ясное дело, нет. Все дело в том, что мы получаем такое бессмысленное значение скорости света исключительно из-за полной бессмысленности выбранной нами системы мер. Ведь что такое секунда и метр?

Что такое секунда?

Чтобы понять это, давайте представим себе, инопланетянина, изучающего людскую цивилизацию. Он узнает, что для измерения времени мы используем единицы, равные времени полного обращения нашей планеты вокруг собственной оси, деленное на некоторое число. Если мы поделим время полного обращения Земли на двадцать четыре, то получим час. Если час мы поделим на шестьдесят, то получим минуту. А если и минуту мы поделим на шестьдесят, то получим секунду. И при этом именно секунда выбрана в качестве основной единицей в международной системе стандартных единиц. Что за бессмыслица? - подумает инопланетянин.

Ладно, взять астрономические сутки в качестве основы - абсолютно логично. Это естественный для любого живого существа на планете цикл смены дня и ночи. Кроме того, точно отмерить сутки не составляет никакого труда - сутки примерно равны времени, проходящему между двумя рассветами или двумя закатами. Но зачем, черт возьми, мы делим их сначала на двадцать четыре, а потом два раза на шестьдесят? Почему именно на двадцать четыре и на шестьдесят, а не на на десять и двенадцать? Виноваты в этом, как это не парадоксально, шумеры.

Древние жители Месопотамии использовали для счета пятеричную и двенадцатиричную системы счисления, которые при совместном использовании породили особую шестидесятиричную систему счисления. Именно от них нам в наследство достались триста шестьдесят градусов в окружности, шестьдесят минут в часе и шестьдесят секунд в минуте. Сутки неудобно было делить на шестьдесят частей, поэтому они ограничились лишь двенадцатью. Но в дальнейшем оказалось, что, как бы комично это не звучало, двенадцати часов в сутках маловато для повседневных нужд и они разбили каждый час еще на два.

Еще больше наш инопланетянин-ученый удивился бы, если посмотрел в словаре на значение самих слов минута и секунда. Слово "минута" на латыни означает "маленькая", что роднит его со словом "миниатюрная". А слово "секунда" переводится как "вторая" - именно поэтому в произошедшем от латыни английском языке слова second "секунда" и second "второй/вторая" - это одно и то же слово. Но почему вторая? Все дело в том, что изначально минута называлась pars minuta prima, то есть первая маленькая часть часа, а секунда - pars minuta secunda, то есть вторая маленькая часть часа. Со временем pars minuta prima сократилось до minuta, а pars minuta secunda до secunda.

Секунды и минуты - не единственные "случайные" единицы измерения времени. Например, мы с самого раннего детства настолько привыкли разбивать год на месяцы, а последовательность дней на недели, что считаем это само собой разумеющимся и не задумываемся, что в природе не существует вторников и февралей. Среди единиц, которыми мы измеряем время, есть только две относительно естественные астрономические величины. Это сутки и год. Сутки, как я уже говорил, это время оборота нашей планеты вокруг собственной оси, что с поверхности самой планеты мы ощущаем как смену дня и ночи. А год - это время оборота Земли вокруг Солнца, что с поверхности планеты мы ощущаем как смену времен года. Сутки древними людьми измерялись как время между двумя рассветами, а год как количество суток, которое проходит до того, как Солнце опять встает в точно том же самом месте горизонта, что и прежде.

Но для удобства людям нужны были гораздо меньшие чем год, но большие чем сутки единицы времени. На помощь пришла Луна - она делает полный оборот вокруг Земли примерно за двадцать девять с половиной суток. Это время и назвали месяцем - именно поэтому в русском языке слове месяц обозначает как часть года, так и фазу Луны, а в английском слово Month образовано от корня Moon. Но как разбить год на месяцы? В году примерно 365 суток, а в лунном месяце примерно двадцать девять с половиной суток, и триста шестьдесят пять не делится на двадцать девять без остатка. В разных цивилизациях древности к решению этой проблемы подходили по-разному, но в привычных нам юлианском (созданном при Юлие Цезаре) и григорианском (созданном на основе юлианского при папе Григории XIII ) календарях год разделен на двенадцать месяцев. Некоторым из них досталось по тридцать дней, а другим по тридцать одному дню, и для баланса один из них, февраль, недогрузили и сделали равным двадцати восьми дням. Но на этом злоключения февраля не закончились. Так как в году не ровно триста шестьдесят пять суток, а примерно триста шестьдесят пять с четвертью, то за четыре года накапливаются целые лишние сутки расхождения между календарем и реальностью. Волевым решением эти лишние сутки было решено включить в февраль каждого четвертого года, которому до этого при делении недодали несколько дней. Такие календарные годы назвали високосными.

Но и это еще не все. Месяцы оказались тоже слишком длинными, людям нужна была еще меньшая единица измерения последовательного количества суток. На помощь опять пришла Луна. За один лунный месяц Луна видна в четырех разных фазах: от почти невидимого месяца она растет до полной луны, а затем уменьшается обратно, дважды находясь в состоянии, когда видна только левая или правая половина Луны. Если двадцать девять суток в месяце разделить на четыре фазы Луны, то получится, что каждая фаза длится примерно по семь дней. Такой легко измеримый по Луне отрезок времени оказался очень удобен для организации циклически повторяемых работ и ритуалов - уже в Древнем Египте религиозные обряды проводились периодами по семь дней. В Древнем Риме семидневная неделя была перенята от египтян в ходе календарной реформы Гая Юлия Цезаря и введении юлианского календаря, после чего распространилась во все остальные владения Римской Империи. Окончательно же семидневная неделя стала стандартом благодаря распространению христианства и Библии, в Ветхом Завете которой семидневный цикл религиозных ритуалов был закреплен в виде количества дней, затраченных Богом на сотворение мира.

В истории проводилось несколько попыток ввести новый календарь. После победы Великой Французской Революции пришедшие к власти революционеры решили провести дехристианизацию календаря и ввели так называемый французский республиканский календарь. В нем год делился на двенадцать месяцев по тридцать дней в каждом и дополнительные пять или шесть дней предновогодних праздников. Месяц в свою очередь делился не на недели, а на три декады по десять дней каждая. Летоисчисление велось от года победы революции. Просуществовал этот календарь недолго - пришедший к власти в ходе переворота восемнадцатого брюмера (второго месяца осени) восьмого года Наполеон Бонапарт вскоре отменил этот во всех смыслах революционный календарь.

Французский Республиканский Календарь

Кроме того, во времена Первой Французской Республики происходили попытки реформировать системы измерения времени в сутках и вводилась система десятичного времени, в которой в сутках было десять часов, в часе десять минут, а в минуте десять секунд. Однако эта система не снискала популярности, так как оказалась крайне неудобной по сравнению с классическими часами - новые величины были слишком большими, чтобы мерять ими промежутки времени, затрачиваемые людьми на какие-то мелкие дела.

Десятичные часы времен Первой Республики

Что такое метр?

Что ж, с секундой разобрались. Теперь сделаем тоже самое и с метром. Это невероятно, но история метра также тесно связана с Великой Французской Революцией. Но сначала давайте перенесемся в средние века и узнаем, чем же тогда измеряли длину. В те времена не существовало стандартных мер длины. Более того в каждом городе был свой набор особых единиц измерения длины и веса. Кстати, именно потому, что золото и серебро в средневековье служило деньгами и измерялось на вес, почти все современные названия денежных единиц, такие как доллар (искаженное талер), фунт, шекель, гривна и даже рубль (отрубленная четверть гривны) изначально являлись названиями мер веса, а не ценности.

Но давайте все же вернемся к метру. Как я уже сказал, в средневековье не существовало стандартных единиц измерения расстояния, и в каждой юрисдикции использовались свои собственные изобретения. Но идея универсальной меры (а слово metro на латыни и означает "мера"), зависящей лишь от законов природы, а не от повеления государей, витала в воздухе и лишь политические причины мешали ее появлению. Первое удачное определение метру дал английский священник и философ Джон Уилкинс - он определил метр как длину маятника, полупериод колебаний которого равнялся одной секунде. Таким образом, значение универсальной единицы измерения расстояния оказалось основано на шумерской единице измерения времени.

Конечно, с определением Уилкинса возникли проблемы, так как на разных широтах длина маятника с полупериодом колебаний в одну секунду оказывалась немножечко разной. Поэтому окончательное определение метру было дано академией наук Первой Французской Республики, которая определила метр как одну сорокамиллионную длины Парижского меридиана - это значение примерно равнялось изначальному метру Уилкинса, но задавалось с гораздо большей точностью. Французские ученые измерили расстояние от Дюнкерка до Барселоны - эти два города как раз лежат на Парижском меридиане. Зная разницу географических координат этих городов они рассчитали точное значение метра и выплавили из латуни эталонный образец, чьи копии они разослали по всему миру, а оригинал оставили храниться в парижской палате мер и весов.

Абсолютные единицы

Таким образом, обе наших основных единицы измерения пространства и времени - секунда и выведенный с ее помощью метр - являются абсолютно случайными величинами, на чьи значения повлияли физические характеристики нашей планеты и система счисления, использовавшаяся древними шумерами. Но существует ли идеальная система измерительных единиц, лишенная подобных недостатков?

Теоретически, существует. Она называется планковскими единицами - в честь предложившего ее использование знаменитого немецкого физика Макса Планка. В основе планковской системы единиц лежат четыре фундаментальных константы физики - скорость света c, постоянная Дирака , гравитационная постоянная G и постоянная Больцмана k. Значение всех четырех констант принято за единицу. Получается система единиц, в которой:

Планковская масса является верхним пределом для масс элементарных частиц и нижним пределом для масс черных дыр
Планковская длина является минимально возможным квантом пространства - хотя дискретность пространства не подтверждена и является лишь гипотезой
Планковское время является временем, за которое свет преодолевает планковскую длину, то есть тем самым мимолетным "моментом", тиком Вселенского компьютера

И хотя подобная система крайне неудобна для решения уравнений теоретической физики, она дает нам гораздо лучшее понимание истинной природы пространства-времени.

Послесловие

Мы настолько привыкли к знакомым нам величинам и инструментам, что даже не задумываемся, что используем всего-лишь навсего один из множества возможных и зачастую равнозначных вариантов.

Мы привыкли писать слева направо, но так делают далеко не все - арабский язык и иврит записываются справа налево, а во многих азиатских языках слова из иероглифов во многих случаях пишут сверху вниз. Мы привыкли к ограниченному набору звуков в речи, но, например, в некоторых африканских языках люди используют цокание в качестве одной из согласных, а китайцы используют тональность голоса для изменения значения слов. Сейчас все, в основном, используют десятичную систему счисления, но это не всегда и не у всех было так - шумеры использовали шестидесятиричный счет, а индейцы майя пользовались двадцатеричной системой, римляне пользовались десятичной, но непозиционной системой счисления. Даже цвета радуги в разных странах считают по разному - у нас в радуге семь цветов, в англоязычных странах их насчитывают шесть, а китайцы различают целых восемь цветов радуги. И неделя не везде одинакова - в большинстве стран рабочая неделя идет с понедельника по пятницу, но в арабских странах и Израиле рабочая неделя начинается в воскресенье, а заканчивается в четверг. Даже с первым днем недели все не однозначно - у нас первым днем недели считают понедельник, а в Америке, Израиле и арабских странах воскресенье. И даже летоисчисление не везде ведется одинаково - в большей части мира используется григорианский христианский календарь, ведущий счет от Рождества Христова, но например в Израиле официальный рабоче-праздничный календарь - иудейский, в котором точка отсчета соответствует 7 октября 3761 года до н. э по григорианскому календарю, а во многих странах Юго-Восточной Азии используют календарь, ведущий счет лет от рождения Будды.

И хотя мы с детства привыкли считать время секундами, минутами, часами, неделями и месяцами, а расстояние метрами - следует понимать, что все эти величины на самом деле абсолютно условны, а пространство и время не делятся ни на какие искусственно заданные промежутки, и даже сами понятия пространства и времени каким-либо смыслом наделяем только мы сами. Ведь все наши модели познания и измерения мира существуют лишь внутри нашей головы и полностью иллюзорны.

Подробнее..

Категории: Научно-популярное , Физика , Читальный зал , Календарь , Скорость света , Шумеры , Макс планк , Французская революция , Гай юлий цезарь , Секунда , Метр , Десятичное время

Проблематика измерения скорости света

18.03.2021 20:06:33 |

Автор: admin

Человечество исследует свет как физическое явление уже больше 2000 лет. Может сложиться впечатление, что этот феномен досконально изучен. Но не все так однозначно. На некоторые вопросы до сих пор нет однозначного ответа.

Как все начиналось

Вообще, при изучении света у ученых всегда возникали различные сложности. Для античных ученых проблемой являлось определение самой природы света. Некоторые из них объясняли способность человека видеть лучами, идущими из глаз. А римский писатель Лукреций, наоборот был близок к истине. В своих трудах он писал о том, что свет и тепло состоят из маленьких движущихся частиц, но, к сожалению, его идеи не обрели популярности. В итоге, сформированная в античности точка зрения о бесконечной скорости света была основной до 17 века.

17 век стал началом активного изучения природы света. Изобретение телескопа, корпускулярная теория света Ньютона и Декарта, волновая теория Гука и Гюйгенса, а также первая оценка скорости света Олафа Рёмера. Изучая затмения спутников Юпитера, он заметил, что время затмений отклоняется от усредненного расписания, в зависимости от расстояние между Землей и Юпитером. Когда оно увеличивается, то затмения отстают от расписания, и наоборот. Рёмер связал этот факт с тем, что свет проходит больший или меньший путь, в зависимости от положения планет. К сожалению, у ученых 17 века, в том числе и Рёмера, не было возможности достаточно точно измерить время и расстояния. Поэтому, пользуясь доступными ему средствами, он рассчитал скорость света и получил 220000 км/с.

Рисунок из статьи Рёмера. Рёмер наблюдал затмения в точках E. K. L. H, G, F

Как обстоят дела сегодня

Если 17 век можно охарактеризовать отсутствием необходимых технологий, то в наше время с этим проблем нет. Высокочастотные лазеры, невероятно точные часы. Но возникает другая проблема практическая реализация измерения скорости. Представим измерение скорости света. Возьмём точные часы, источник света, например лазер, и зеркало. Включим лазер и измерим, за какое время луч пройдет от лазера до зеркала и обратно. Поделим два расстояния от лазера до зеркала на время и получим скорость света. В ходе такого эксперимента мы получим двустороннюю скорость света. Двусторонняя, потому что свет во время измерения проходит один и тот же путь два раза(от лазера до зеркала и обратно). В чем может быть проблема? Возможно, скорость света явление анизотропное, то есть имеет различное значение в разных направлениях. Например. в одну сторону луч движется со скоростью c/2, а возвращается мгновенно. Различия могут быть менее существенными, например в несколько процентов. Но для того, чтобы подтвердить или опровергнуть эту теорию необходимо измерить одностороннюю скорость света.

Схема измерения скорости света

Одновременность и синхронизация Эйнштейна

Для измерения односторонней скорости света мы не обойдемся одними часами как в случае измерения двусторонней скорости (т.е. по замкнутой траектории). Самого понятия односторонняя скорость нет, пока мы не определим, что такое одно и то же время в двух разных местах. Поэтому понадобится пара часов, чтобы измерить время старта и финиша по одной временной шкале. Для этого нужно синхронизировать часы. Именно от того, каким образом мы сделаем это, зависит измерение величины односторонней скорости. Таким образом, одновременность двух событий в одной системе отсчета, разделенных расстоянием определяется соглашением о том, как синхронизировать часы в этих двух точках. В работе К электродинамике движущихся тел Эйнштейн предложил схему, которая названа синхронизацией Эйнштейна. Согласно ей, односторонняя скорость света равна двусторонней независимо от направления. В той же работе Эйнштейн писал: это не предпосылка и не гипотеза о физической природе света, а требование, которое я делаю на основании свободного выбора, чтобы получить понятие одновременности.

Синхронизация Эйнштейна. Время t вторых часов определяется таким образом, чтобы оно равнялось половине времени, за которое свет проходит расстояние 2*AB

База, который час?

Как изменится понимание процессов во вселенной, если окажется, что односторонняя скорость света не одинаковая в разных направлениях? Представим себе такую картину: офис NASA на Земле хочет синхронизировать часы с космической станцией. Допустим, что свет от Земли до станции и обратно проходит за 20 минут. Офис отправляет сообщение в 12:00. Если односторонняя скорость света равна c, то сигнал дойдет до станции за 10 минут. Экипаж устанавливает свои часы на 12:10 и шлет ответ Земле, который дойдет в 12:20. Теперь представим, что до станции односторонняя скорость света равна c/2, а обратно свет доходит мгновенно. Офис также отправляет сообщение в 12:00. Сигнал доходит до станции в 12:20, но экипаж думает, что односторонняя скорость света равна c, поэтому устанавливает часы на 12:10 и шлет ответ офису, который доходит мгновенно. Земля получает сообщение, в котором говорится, что время на станции установлено на 12:10, причем сигнал получен Землей в 12:20. Для наблюдателя ничего не изменилось, но часы в обоих случаях синхронизированы по-разному.

Пространственно-временная диаграмма. Для наблюдателей два случая идентичны, но часы синхронизированы по-разному

Современные исследования

Периодически, возникают исследования, заявляющие о том, что односторонняя скорость света определена. В 2009 году в октябрьском выпуске Американского физического журнала вышла статья о том, как группа ученых нашла способ определить одностороннюю скорость света. Но через определенное время различные ученые опровергли представленный метод и показали, что в ходе исследования была измерена двусторонняя скорость

Текст статьи можно найти на сайте журнала

На сегодняшний день мы не знаем величину односторонней скорости света. Зачем об этом вообще говорить, если общепринятые физические модели работают. Если нельзя определить одностороннюю скорость света, то имеет ли смысл понятие одновременности для двух объектов, разделенных расстоянием? Возможно, это просто случайная причуда Вселенной, а может быть ключ к следующей смене парадигм к физике.

Подробнее..

Категории: Научно-популярное , Физика , Эйнштейн , Скорость света , Эксперименты , Блог компании itsoft

	Русский
	English

Скорость света

Из песочницы Природа даёт подсказку, как двигаться быстрее скорости света

Волны на поверхности воды

Волны в воздухе

Волны электромагнитные

Скорость звука каков ее предел?

Основа исследования

Результаты исследования

Эпилог

Немного рекламы

Как древние шумеры повлияли на значение скорости света, и почему Великая Французская Революция не смогла им помешать

Что такое секунда?

Что такое метр?

Абсолютные единицы

Послесловие

Проблематика измерения скорости света

Как все начиналось

Как обстоят дела сегодня

Одновременность и синхронизация Эйнштейна

База, который час?

Современные исследования

Категории

Последние комментарии