Хуткасьць сьвятла

**Хуткасьць сьвятла** ў вакуўме (*in vacuo*) ёсьць фундамэнтальнай фізычнай канстантай і роўная дакладна **299 792 458** м/с (прыкладна 300 000 км/с). У сучаснай фізыцы гэтая фізычная велічыня ня ёсьць вынікам вымярэньня, гэта — яе дэфініцыя, паколькі якраз-ткі стандарт мэтру вызначаецца праз хуткасьць сьвятла (з 1983 году). Хуткасьць сьвятла ў вакуўме ў фізычных формулах абазначаецца лацінскай літарай **c**.

Хуткасьць сьвятла ня ў вакуўме (у паветры, нейкім газе, іншым матэрыяле) заўсёды меншая, чым **c**. У спэцыяльных матэрыялах, якія маюць высокую аптычную шчыльнасьць, напрыклад, у кандэнсаце Базэ—Айнштайна, можна значна запаволіць сьвятло. У экспэрымэнтах 1999 году навукоўцы запаволілі сьвятло да 17 м/с, а ў 2003 годзе камандзе з Гарвардзкага ўнівэрсытэту і расейскага Фізычнага інстытуту акадэміі навук (ФІАН) наагул здолелі спыніць сьвятло ў спэцыяльна падрыхтаваным нагрэтым газе рубідыю.

Оле Крыстэнсэн Рэмэр упершыню прадэманстраваў у 1676 годзе, што сьвятло рухаецца з канчатковай хуткасьцю, вывучаючы бачны рух спадарожніка Юпітэра Іо. У 1865 годзе Джэймз Кларк Максўэл прапанаваў лічыць сьвятло электрамагнітнай хваляй, і, такім чынам, стварыў тэорыю электрамагнэтызму. У 1905 годзе Альбэрт Айнштайн выказаў здагадку, што хуткасьць сьвятла адносна любой інэрцыяльнай сыстэмы адліку зьяўляецца сталай велічынёй і не залежыць ад руху крыніцы сьвятла. Ён дасьледаваў наступствы гэтага пастулату, выводзячы тэорыю адноснасьці.

Канстанта **c** мае фундамэнтальнае значэньне для электрадынамікі і наагул для ўсяе фізыкі. Гэта хуткасьць, зь якой распаўсюджваецца электрамагнітнае выпраменьваньне. Гэта хуткасьць, зь якой пашыраецца гравітацыя. Нарэшце, гэта максымальная хуткасьць, зь якой можа распаўсюджвацца інфармацыя.

## Фундамэнтальная роля ў фізыцы
Хуткасьць, зь якой сьветлавыя хвалі распаўсюджваюцца ў вакуўме, не залежыць ад руху крыніцы гэтых хваляў або сыстэмы адліку назіральніка. Айнштайн пастуляваў гэтую нязьменнасьць хуткасьці сьвятла яшчэ ў 1905 годзе. Ён прыйшоў да гэтай высновы, грунтуючыся на тэорыі электрамагнэтызму Максўэла і браку доказаў існаваньня сьвятланоснага этэру. З таго часу нязьменнасьць хуткасьці сьвятла пасьлядоўна пацьвярджаецца шматлікімі экспэрымэнтамі. Толькі экспэрымэнтальна можна спраўдзіць, што хуткасьць сьвятла ў «двухбаковым» экспэрымэнце (напрыклад, ад крыніцы да люстэрка і назад) не залежыць ад сыстэмы адліку, бо немагчыма вымераць хуткасьць сьвятла ў адным кірунку (напрыклад, ад крыніцы да аддаленага прымайча) без дадатковых прыладаў для сынхранізацыі гадзіньнікаў крыніцы і прымайча. Аднак, калі да гэтага прыстасаваць сынхранізацыю Айнштайна, аднабаковая хуткасьць сьвятла па вызначэньні робіцца роўнай двухбаковай хуткасьці. Спэцыяльная тэорыя адноснасьці дасьледуе наступствы гэтай інварыянтнасьці c, калі прыпусьціць, што законы фізыкі аднолькавыя ўва ўсіх інэрцыяльных сыстэмах адліку. Адным з наступстваў гэтага ёсьць тое, што c — гэта хуткасьць, зь якой усе бязмасавыя часьцінкі і хвалі (у тым ліку сьвятло) павінны рухацца ў вакуўме.

Спэцыяльная тэорыя адноснасьці мае шмат экспэрымэнтальна пацьверджаных супярэчлівых да інтуіцыі высноваў. Да іх стасуюцца эквівалентнасьць масы і энэргіі (E_0 = mc^2), скарачэньне даўжыні, бо аб’екты сьціскаюцца пры руху, і запаволеньне часу, то бок рухомы гадзіньнік адлічвае час павольней. Каефіцыент γ, на які памяншаецца даўжыня і запавольваецца час, вядомы як фактар Лёрэнца \gamma = \frac{1}{\sqrt{1-\frac{v^2}{c^2}}}, дзе V — хуткасьць аб’екта. Для хуткасьцей значна меншых за хуткасьць сьвятла, напрыклад, для хуткасьцей, зь якімі мы маем справу кожны дзень, розьніца паміж γ і 1 настолькі малая, што яе можна адкінуць. У гэтым выпадку спэцыяльная тэорыя адноснасьці добра апраксымуецца з тэорыяй адноснасьці Галілея. Аднак пры рэлятывісцкіх хуткасьцях розьніца павялічваецца і набліжаецца да бясконцасьці, калі V набліжаецца да c.

Аб’яднаньне вынікаў спэцыяльнай тэорыі адноснасьці патрабуе выкананьня дзьвюх умоваў, як то прастора і час мусяць утвараць адзіную структуру, вядомую як прастора-час, і законы фізыкі задавальняюць патрабаваньням адмысловай сымэтрыі, якая называецца інварыянтнасьцю Лёрэнца. Інварыянтнасьць Лёрэнца ўважаецца за амаль унівэрсальнае дапушчэньне сучасных фізычных тэорыяў, як то квантавая электрадынаміка, квантавая храмадынаміка, стандартная мадэль фізыкі элемэнтарных часьцінак і агульная тэорыя адноснасьці. Такім чынам, парамэтар c паўсюдна распаўсюджаны ў сучаснай фізыцы і выкарыстоўваецца ў многіх кантэкстах, якія ня маюць анічога агульнага з самім сьвятлом. Напрыклад, агульная тэорыя адноснасьці прадказвае, што гравітацыя і гравітацыйныя хвалі распаўсюджваюцца з хуткасьцю c. У неінэрцыяльных сыстэмах адліку, як то ў гравітацыйна скрыўленай прасторы або ў сыстэмах адліку, якія рухаюцца з паскарэньнем, лякальная хуткасьць сьвятла таксама сталая і роўная c, але хуткасьць сьвятла ўздоўж траекторыі канечнай даўжыні можа адрозьнівацца ад c у залежнасьці ад таго, як вызначаюцца прастора і час.

Мяркуецца, што фундамэнтальныя канстанты, як то c, маюць аднолькавае значэньне ва ўсёй прасторы-часе, гэта значыць, яны не залежаць ад месцазнаходжаньня і не зьмяняюцца з часам. Аднак некаторыя тэорыі прыпушчаюць, што хуткасьць сьвятла можа зьмяняцца з часам. Сёньня няма пераканаўчых доказаў такіх зьменаў, але яны ёсьць прадметам бягучых дасьледаваньняў. Акрамя таго, хуткасьць сьвятла ўважаецца велічынёю ізатропнай, гэта значыць незалежнай ад кірунку ейнага распаўсюду. Назіраньні за выпраменьваньнем ядзерных энэргетычных пераходаў у залежнасьці ад арыентацыі ядраў у магнітным полі, як то экспэрымэнт Г’юза—Дрэвэра, а таксама за кручэньнем аптычных рэзанатараў, як то экспэрымэнт Майкелсана—Морлі, наклалі строгія абмежаваньні на мажлівасьць існаваньня двухбаковай анізатрапіі.

### Верхняя мяжа хуткасьці

Згодна з спэцыяльнай тэорыяй адноснасьці, энэргія аб’екта з масай спакою m і хуткасьцю v роўная , дзе γ — гэта каэфіцыент Лёрэнца, вызначаны вышэй. Калі v роўны нулю, γ роўны адзінцы, што прыводзіць да вядомай формулы эквівалентнасьці масы і энэргіі E_0 = mc^2. Паколькі каэфіцыент γ набліжаецца да бясконцасьці, калі v набліжаецца да c, паскарэньне масіўнага аб’екта да хуткасьці сьвятла запатрабавала б бясконцай энэргіі. Хуткасьць сьвятла, такім чынам, ёсьць верхняй мяжою хуткасьці для аб’ектаў з масай спакою. Гэта было экспэрымэнтальна выяўлена ў многіх выпрабаваньнях рэлятывісцкай энэргіі і імпульсу.

Увогуле, інфармацыя або энэргія ня могуць перадавацца хутчэй, чым c. Адзін з аргумэнтаў на карысьць гэтага зыходзіць зь нелягічнай высновы спэцыяльнай тэорыі адноснасьці, вядомай як тэорыя адначаснасьці. Калі прасторавая адлегласьць паміж двума падзеямі A і B большая за інтэрвал часу паміж імі, памножаны на c, тады існуюць сыстэмы адліку, у якіх A папярэднічае B, і іншыя, у якіх B папярэднічае A, і яшчэ іншыя, у якіх A і B адначасныя. У выніку, калі б аб’ект рухаўся хутчэй, чым c адносна нейкай інэрцыяльнай сыстэмы адліку, тады ў іншай сыстэме адліку ён рухаўся б назад у часе, і прынцып прычыннасьці быў бы парушаны. У такой сыстэме адліку «эфэкт» мог бы назірацца раней за ягоную «першапрычыну». Такое парушэньне прычыннасьці ніколі не назіралася. Гэта таксама можа прывесьці да парадоксаў, напрыклад такога, як то тахіённы антытэлефон.

У некаторых тэарэтычных падыходах эфэкт Шарнгорста дазваляе сыгналам распаўсюджвацца хутчэй за c. Аднак іншыя погляды для той жа самай фізычнай структуры не выяўляюць такога эфэкту. Здаецца, мусяць быць асаблівыя ўмовы, у якіх гэты эфэкт можа назірацца.

## Бачны звышсьветавы рух
Бываюць сытуацыі, калі можа здавацца, што матэрыя, энэргія або сыгнал рухаюцца хутчэй за хуткасьць сьвятла, нават калі гэта ня так. Калі электрамагнітныя хвалі праходзяць праз асяродзьдзе, фазавая хуткасьць часам перавышае c (напрыклад, для рэнтгенаўскага выпраменьваньня пры праходжаньні праз большасьць тыпаў шкла), але інфармацыя перадаецца ня з фазавай хуткасьцю, а з групавой хуткасьцю, якая застаецца меншай за c.

Калі лазэрны прамень хутка праходзіць праз аддалены аб’ект, пляма сьвятла можа рухацца хутчэй за c. Аднак адзінымі рухомымі фізычнымі аб'ектамі ёсьць лазэр і сьвятло, якое ён выпраменьвае і якое рухаецца з хуткасьцю c ад лазэра да розных месцаў на пляме, і самая пляма не мае ані матэрыі, ані інфармацыі. Падобным чынам, цень, адкінуты на аддалены аб’ект, можа рухацца хутчэй за c. У кожным з гэтых выпадкаў аніякая матэрыя, энэргія або інфармацыя ня рухаюцца хутчэй за сьвятло. Хуткасьць зьмены адлегласьці паміж двума аб’ектамі ў сыстэме адліку, адносна якой яны абодва рухаюцца, можа перавышаць c. Аднак хуткасьць любога аб’екта ў любой інэрцыйнай сыстэме адліку застаецца меншай за c. Напрыклад, хуткасьць аднаго аб’екта, які рухаецца ў сыстэме адліку адносна іншага аб’екта, ёсьць праявай нелінейнасьці хуткасьцей у тэорыі адноснасьці.

Пэўныя квантавыя эфэкты перадаюцца імгненна і, такім чынам, хутчэй, чым c. Да іхняга ліку, напрыклад, стасуецца парадокс Айнштайна—Падольскага—Розэна. Прыкладам могуць служыць таксама заблытаныя квантавыя станы дзьвюх часьцінак. Пакуль аніводная з часьцінак не назіраецца, яны існуюць як супэрпазыцыя двух квантавых станаў. Калі вымяраецца квантавы стан адной часьцінкі, квантавы стан іншай часьцінкі вызначаецца імгненна. Аднак немагчыма кантраляваць, які квантавы стан здабудзе першая часьцінка, калі яе назіраюць, таму інфармацыя ня можа перадавацца такім чынам. Іншы квантавы эфэкт, які ўлучае ўзьнікненьне хуткасьцей, большых за хуткасьць сьвятла, называецца эфэктам Гартмана: пры пэўных умовах час, неабходны віртуальнай часьцінкі для тунэляваньня праз бар’ер, ёсьць сталым незалежна ад таўшчыні бар’еру. Гэта можа прывесьці да таго, што віртуальная часьцінка перасякае бар’ер хутчэй, чым сьвятло. Аднак, зноў жа, інфармацыя ня можа перадавацца з дапамогай гэтага эфэкту.

Экспэрымэнт 2011 году, які вызначыў, што нэўтрына рухаецца хутчэй за сьвятло, быў вынікам экспэрымэнтальнай памылкі. Так званы звышсьветлавы рух назіраецца ў некаторых астранамічных аб’ектах, як то рэлятывісцкія струмені з радыёгаляктык і квазараў. Аднак струмені самыя ня рухаюцца з звышсьветлавымі хуткасьцямі, а толькі вобласьці іншых аб’ектаў, асьветленыя імі. Гэты звышсьветлавы рух падобны да звышсьветлавога руху канца сьветлавога прамяня і таксама ня здольны перадаваць інфармацыю з звышсьветлавымі хуткасьцямі.

У мадэлях пашырэньня Сусьвету больш аддаленыя галяктыкі аддаляюцца з большай хуткасьцю. Па-за мяжою, называнай сфэрай Габла, хуткасьць аддаленьня галяктык ад Зямлі робіцца большай за хуткасьць сьвятла. Гэтыя хуткасьці аддаленьня, якія вызначаюцца як павелічэньне іхняй уласнай адлегласьці за касмалягічны час, ня ёсьць хуткасьцямі ў рэлятывісцкім сэнсе. Хуткасьць касмалягічнага аддаленьня, вышэйшая за хуткасьць сьвятла, — гэта ўсяго толькі артэфакт каардынат.

## Практычнае стасаваньне
Канчатковая хуткасьць сьвятла стварае цяжкасьці, калі яна абмяжоўвае хуткасьць сувязі. Зь іншага боку, вымярэньне часу, неабходнага сьвятлу дзеля праходжаньня шляху, ёсьць зручным спосабам вымярэньня адлегласьцей.

### У кампутарнай тэхніцы
У кампутарах хуткасьць сьвятла накладвае абмежаваньне на хуткасьць перадачы зьвестак паміж працэсарамі. Калі працэсар працуе на частасьці 1 гігагерц, тады за адзін такт сыгнал пасьпявае распаўсюдзіцца не далей за 30 см. Таму працэсары і мікрасхемы памяці мусяць разьмяшчацца блізка адзін да аднаго, каб мінімізаваць затрымкі сувязі. Калі тактавыя частасьці будуць працягваць павялічвацца, хуткасьць сьвятла можа ў рэшце рэшт стаць абмежавальным фактарам да праектаваньня асобных мікрасхемаў.

### У наземнай сувязі
Паколькі даўжыня роўніка Зямлі складае блізу 40 тысяч км, а c ≈ 300 000, тэарэтычна найкарацейшы час, неабходны сыгналу, каб прайсьці палову зямнога шара ўздоўж паверхні, складае каля 67 мілісэкундаў. Калі сьвятло рушыць праз аптычнае валакно хуткасьць сьвятла ў ім прыкладна на 35% павольнейшая, у залежнасьці ад ягонага паказьніка пераламленьня n, і час праходжаньня павялічваецца. Акрамя таго, лініі сувязі не заўсёды ідэальна простыя. У дадатак час праходжаньня павялічваецца, калі сыгналы перасоўваюцца праз электронныя камутатары або рэгенэратары сыгналаў.

Не зважаючы на тое, што гэты час затрымкі ў большасьці выпадкаў нязначны, ён адыгрывае ролю ў такіх галінах, як высокачастасны гандаль, дзе трэйдары імкнуцца атрымаць невялікую перавагу, выстаўляючы свае ўгоды на біржу як мага хутчэй і раней за іншых удзельнікаў рынку. Напрыклад, трэйдары, як правіла, выкарыстоўваюць мікрахвалевую сувязь, бо хуткасьць радыёхваляў у паветры большая за хуткасьць сьвятла ў валаконнай оптыцы.

### На касьмічных адлегласьцях

Яшчэ большымі ёсьць затрымкі сыгналу ў сувязі касьмічных караблёў. Напрыклад, калі наземная станцыя ўсталёўвала сувязь з касманаўтамі на Месяцы, затрымка туды і адваротны бок складала больш за 2,5 сэкунды, што выклікала непазьбежныя паўзы паміж пытаньнямі і адказамі. Сьвятлу патрабуецца ад 5 да 20 хвілінаў, каб дабрацца ад Зямлі да Марса, у залежнасьці ад адноснага разьмяшчэньня дзьвюх плянэт. Калі б робат на паверхні Марса сутыкнуўся з праблемай, яму спатрэбіцца ўсяго 4—24 хвілінаў, каб цэнтар кіраваньня на Зямлі даведаўся пра яе, а потым яшчэ 4—24 хвілін, каб каманды з цэнтру кіраваньня дасягнулі Марса.

Сьвятло ды іншыя сыгналы ад аддаленых астранамічных крыніц падарожнічаюць значна даўжэй. Напрыклад, сьвятлу патрабуецца 13 мільярдаў гадоў, каб дасягнуць Зямлі з такіх аддаленых галяктыкаў, як тыя, што месьцяцца ў звышглыбокім полі тэлескопа Габла. Сучасныя выявы, зробленыя з тэлескопа, насамрэч, паказваюць галяктыкі такімі, якімі яны былі 13 мільярдаў гадоў таму, калі Сусьвету было менш за мільярд гадоў. Праз канечную хуткасьць сьвятла больш аддаленыя аб’екты выглядаюць маладзейшымі, што дазваляе астраномам рабіць высновы аб эвалюцыі зорак, галяктык і самога Сусьвету.

Астранамічныя адлегласьці часта апісваюць у сьветлавых гадах. Сьветлавы год паводле сутнасьці ёсьць адлегласьцю, якую сьвятло здольнае пераадолець за адзіны юліянскі год, што роўнае прыблізна 9 461 мільярду кілямэтраў, або 0,3066 парсэку. Проксыма Цэнтаўра, найбліжэйшая да Зямлі зорка пасьля Сонца, месьціцца на адлегласьці блізу 4,2 сьветлавых гадоў.

### Вымярэньне адлегласьці
Радарныя сыстэмы вымяраюць адлегласьць да мэты паводле часу, які патрабуецца радыёімпульсу, каб вярнуцца да антэны радара пасьля адбіцьця ад мэты, то бок адлегласьць да мэты ў гэтым выпадку роўная палове часу праходжаньня сыгналу туды і ў адваротны бок, памножанага на хуткасьць сьвятла. GPS-прыймачы вымяраюць адлегласьць да спадарожнікаў GPS грунтуючыся на тым, колькі часу патрабуецца, каб радыёсыгнал надышоў ад кожнага спадарожніка, і месцазнаходжаньне прыймача разьлічваецца паводле гэтых адлегласьцяў. Гэтыя вымярэньні ў малых долях сэкунды мусяць быць вельмі дакладнымі. Сучасныя касьмічныя радары вызначаюць адлегласьці да Месяца, плянэт і касьмічных караблёў, вымяраючы час, які патрабуецца сьвятлу або радыёімпульсам, каб трапіць да мэты і назад.

## Крыніцы

## Вонкавыя спасылкі
* «Скорость света». Энциклопедия Физики и техники. 

Катэгорыя:Фізыка
Катэгорыя:Вікіпэдыя:Істотныя артыкулы