Чому фізики ніколи не вимірювали швидкість світла в одному напрямку: відповідь може здивувати

Швидкість світла у вакуумі становить майже 300 000 км/с, і вона відіграє дуже важливу роль у законах фізики. Вас може здивувати, що вчені ніколи насправді не вимірювали швидкість світла в одному напрямку, а лише швидкість світла, яке пройшло у двох напрямках, пише IFLScience.

У Фокус. Технології з'явився свій Telegram-канал. Підписуйтесь, щоб не пропускати найсвіжіші та найзахопливіші новини зі світу науки!

Відомо, що ніщо не може рухатися швидше за швидкість світла. Проте вже 30 років існує теорія, яка припускає, що за допомогою екзотичного пристрою можна обійти це обмеження. Якщо це так, то чому вчені досі не створили такий пристрій? Про це вже писав Фокус.

Якийсь час багато вчених, включно з Рене Декарта, вважали, що швидкість світла нескінченна. Але астроном Оле Ремер, вивчаючи затемнення супутника Іо його господарем Юпітером, помітив щось дивне. Цей супутник має короткий і постійний орбітальний період, здійснюючи повний оберт навколо газового гіганта кожні 42,5 години. Але, коли Ремер вимірював час між кожним затемненням, він помітив, що час варіювався залежно від того, наскільки близько Земля перебувала до Юпітера в той момент. Вони відбувалися раніше середнього, коли Юпітер був близько, і пізніше середнього, коли Юпітер був найдальше.

Із цього Ремер зробив висновок, що швидкість світла не нескінченна, але для поширення світла потрібен час. Іо не було потрібно більше часу, щоб зробити оберт навколо Юпітера, коли Земля була далеко від нього, але світлу було потрібно більше часу, щоб досягти його. Вчений Християн Гюйгенс спробував обчислити швидкість світла, використовуючи цю інформацію, і отримав значення 210 824 км/с. Різниця між цією цифрою і тим, що тепер відомо, як правильна швидкість світла, була пов'язана з оцінкою максимальної затримки часу Ремера і тим фактом, що вчені ще не зовсім точно визначили орбіту Землі.

Відтоді вчені вимірювали швидкість світла за допомогою лазерів і дзеркал. У цих установках світло випромінюється на відому відстань і повертається у вихідну точку. Щоб отримати швидкість світла, потрібно розділити відстань на час, і зараз вважається, що швидкість світла становить постійні 299 792 км/с.

Але в цій установці фізики насправді вимірюють двосторонню швидкість світла: час, який знадобився світлу, щоб пройти в один бік, а потім повернутися у вихідну точку. Хоча здається можна припустити, що світло рухається з однаковою швидкістю в усіх напрямках, як це робив Ейнштейн, це все ще припущення. Фізики під час експериментів підтвердили, що може бути так, що світло рухається в одному напрямку з більшою швидкістю і повертається з меншою швидкістю, в середньому досягаючи швидкості, яку ми тепер знаємо.

Чому не можна виміряти швидкість світла в одному напрямку? Це залежить від того, як ми синхронізуємо годинник. Припустимо, ви хочете виміряти односторонню швидкість світла. Для цього потрібно знати, що ваш годинник на випромінювачі світла точно синхронізований з годинником на детекторі. Ви не можете розділити відстань на час, щоб отримати швидкість, якщо два годинники не синхронізовані.

Ось тут-то і виникає проблема, як у спеціальній теорії відносності, коли ви віддаляєте годинник один від одного, він починає йти з різною швидкістю. Хоча це звучить доволі абстрактно, експерименти показують, що годинник справді йде з різною швидкістю для різних спостерігачів залежно від відносної швидкості, з якою він рухається, або сили гравітаційного поля. Тому, коли ви синхронізуєте два годинники разом, а потім розсовуєте їх, щоб почати вимірювання швидкості світла, вони в процесі стають несинхронізованими. Тим часом, якщо ви починаєте експеримент із двома годинниками окремо, а потім намагаєтеся синхронізувати їх, у вас також залишається проблема.

Ця синхронізація використовує зі свого боку світлові сигнали, створюючи круговий аргумент, який досі робив цей тип вимірювання недійсним, пояснюють фізики.

Ейнштейн знав про цю проблему, виклавши її у своїй статті 1905 року "Про електродинаміку рухомих тіл". Ейнштейн припустив, що швидкість світла однакова в обох напрямках, але визнав, що це лише припущення, яке не перевірено під час експериментів. Відтоді фізики не придумали нічого, щоб обійти цю проблему. Тому вважається, що виміряти швидкість світла в одному напрямку може бути неможливо.

Як уже писав Фокус, астрономи зробили останню фотографію найяскравішої комети 2025 року, яку ми не побачимо ще 600 000 років. Найяскравіша комета цього року під назвою C/2024 G3 зараз віддаляється від Сонця і летить до краю Сонячної системи.