Вопрос: «Откуда свет получает свою скорость?» — один из важнейших вопросов современной науки. Чтобы его понять, необходимо углубиться в историческую перспективу того, как возникло современное положение дел в физике.
Исторический контекст
До 19 века физики были совершенно убеждены, что свет — это волна, и что для его распространения требуется среда, и что этой средой был эфир. Ученые особо не задумывались о том, какими свойствами должен обладать этот эфир, кроме очевидных — отсутствие запаха, вкуса, прозрачность, высокая проницаемость для объектов и т. д. И тот факт, что эфир отвечает за скорость, с которой распространяется свет, имел второстепенное значение и был совершенно естественным явлением. В конце концов, скорость всех волн в среде обусловлена
Кроме того, тот факт, что большАя часть торговли была основана на морской торговле, означал, что волны получали много внимания, и их свойства, включая скорость, с которой они распространяются, были хорошо известны. Этот факт, казалось, справедлив для всех волн, включая волны в океане, звуковые волны, волны, проходящие через твердые тела, и сам свет. До сих пор это была довольно всеобъемлющая теория, которая объясняла все известные свойства света.
Но с наступлением двадцатого века эти старые теории столкнулись с очень большими проблемами.
Проблемы с теорией эфира
Уже в конце девятнадцатого века было высказано предположение, что свет является поперечной волной. Это открытие, сделанное благодаря тому, что свет можно поляризовать, представляло серьезную угрозу для теории эфира. Продольные волны, такие как звуковые и волны в воде, не могут подвергаться поляризации. Еще больше усугублял проблему тот факт, что поперечные волны требуют чрезвычайно жесткой среды для распространения.
Поскольку было известно, что скорость света составляет (примерно) 300 000 000 м/с, было подсчитано, что эфир должен обладать жесткостью, которая в несколько раз больше, чем у стали. Этот факт сильно повлиял на переосмысление теории со стороны физиков. А с открытием Максом Планком квантов света и того факта, что энергия передается дискретными порциями, наступило разочарование в старом образе мышления и старых идеях.
И все обратили свой взор на уравнения Максвелла, которые, казалось бы, определяли скорость света. Однако эти уравнения описывались как определение скорости света в какой-то среде. С большим трудом коллеги-ученые смогли убедить Максвелла отказаться от бестолковой идеи эфира, и осознать, что его теория самосохраняющихся электрических и магнитных полей не требует вообще никакой среды.
Именно осознание того, что эфир не может существовать, в сочетании с уравнениями Максвелла и результатами эксперимента Майкельсона-Морли, доказавшего, что эфира нет, позволило Эйнштейну сформулировать свою Специальную теорию относительности в 1905 году.
Эйнштейн и Специальная теория относительности
Специальная теория относительности утверждает, что скорость, с которой световые волны распространяются в вакууме, не зависит ни от движения источника волн, ни от инерциальной системы отсчета наблюдателя.
Хотя это может показаться простым, на самом деле это имеет глубокие последствия для нашего представления о реальности. Это означает, что даже если мы измерим расстояние с помощью жесткой фиксированной шкалы, то обнаружим, что для другого наблюдателя одно и то же наше измерение покажется неверным и оно действительно должно быть неверным, если скорость света инвариантна.
Перед лицом этих сложных сценариев возникает другой вопрос: существует ли более простой и приемлемый ответ?
Фотоны и электромагнитное поле
Да, и звучит он так — свет распространяется фотонами. Фотоны на самом деле являются возмущением, создаваемым в электромагнитном поле. Электромагнитное поле создается заряженными частицами, которыми являются протоны и электроны. Но протоны тесно связаны внутри ядра, поэтому они не играют особой роли в возмущении электромагнитного поля. Это возмущение создается движущимися электронами. Эти электроны создают волны в электромагнитном поле, которые мы называем светом. Таким образом, все формы электромагнитного излучения (от микроволн до гамма-лучей) создаются движущимися электронами.
Фотоны имеют нулевую массу покоя, поскольку они не взаимодействуют напрямую с полем Хиггса. Это позволяет им двигаться с максимально возможной скоростью, которая известна как скорость света.
