Презентация по физике на тему "Можно ли обогнать свет?"

• 1 слайд

  МОЖНО ЛИ ОБОГНАТЬ СВЕТ?
  

• 2 слайд

  СКОРОСТЬ СВЕТА
  
  Скорость света – скорость распространения электромагнитных волн в вакууме. Она обозначается латинской буквой c. Скорость света равняется 299 792 458 м/с.
  
  Скорость света является абсолютным пределом скоростей во Вселенной. Согласно специальной теории относительности Эйнштейна, ничто не может двигаться сквозь пространство быстрее скорости света.
  
  

• 3 слайд

  КАК ИЗМЕРЯЛИ СКОРОСТЬ СВЕТА: ГАЛИЛЕЙ
  В эпоху античности ученые философы считали, что скорость света бесконечна, то есть мгновенна. 
  Декарт, Кеплер и Ферма были согласны с учеными античности.
  А вот Галилео Галилей считал, что скорость света конечна, хоть и очень велика. Он и произвел первое измерение скорости света.
  На большом, известном расстоянии друг от друга, на разных холмах, Галилей и его помощник стояли с зажженными фонарями. Один из них открывал заслонку на фонаре, а второй должен был проделать то же самое, когда увидит свет первого фонаря. Зная расстояние и время (задержку перед тем, как помощник откроет фонарь) Галилей рассчитывал вычислить скорость света. К сожалению, для того, чтобы этот эксперимент удался, Галилею и его помощнику нужно было выбрать холмы, которые находятся на расстоянии в несколько миллионов километров друг от друга. 
  

• 4 слайд

  
  КАК ИЗМЕРЯЛИ СКОРОСТЬ СВЕТА: ОПЫТЫ РЕМЕРА
  
  Олаф Рёмер применил астрономический метод измерения скорости света. В 1676 он наблюдал в телескоп за спутником Юпитера Ио, и обнаружил, что время наступления затмения спутника меняется по мере отдаления Земли от Юпитера. Максимальное время запаздывания составило 22 часа. Посчитав, что Земля удаляется от Юпитера на расстояние диаметра земной орбиты, Рёмер разделил примерное значение диаметра на время запаздывания, и получил значение 214000 километров в секунду.
  

• 5 слайд

  
  ГИПОТЕЗЫ ГЮЙГЕНСА И НЬЮТОНА
  
  
  В 1678 г. Христиан Гюйгенс выдвигает гипотезу, согласно которой свет это волна (колебания) происходящие в веществе, которое он называет эфиром (некая субстанция еще более легкая и всепроникающая, чем воздух).
  В 1704 г. Исаак Ньютон издает книгу «Оптика, или Трактат об отражениях, преломлениях, изгибаниях и цветах света», в которой большинство оптических явлений объясняется наличием корпускул, они же фотоны или кванты в современной интерпретации.
  
  

• 6 слайд

  
  КАК ИЗМЕРЯЛИ СКОРОСТЬ СВЕТА: ОПЫТ БРЭДЛИ
  
  В 1728 году Джеймс Брэдли оценил скорость света наблюдая абберацию звезд. 
  Абберация – это изменение видимого положения звезды, вызванное движением земли по орбите.
  Зная скорость движения Земли и измерив угол абберации, Брэдли получил значение в 301000 километров в секунду. Результат Брэдли был самым точным до 1849 года. 
  

• 7 слайд

  
  КАК ИЗМЕРЯЛИ СКОРОСТЬ СВЕТА: ОПЫТ ФИЗО
  
  В 1849 году французский ученый Арман Физо измерил скорость света методом вращающегося затвора.
  Свет, отражаясь от зеркала, проходил через зубья колеса и отражался от другого зеркала, удаленного на 8,6 км. Скорость колеса увеличивали, пока свет не становился виден в следующем зазоре. Расчеты Физо дали результат в 313000 км/с.
  

• 8 слайд

  
  КАК ИЗМЕРЯЛИ СКОРОСТЬ СВЕТА: ОПЫТ ФУКО
  
  В 1861 г. Джеймс Клерк Максвелл открывает, что свет - это электромагнитное излучение.
  В 1862 г. Жан Бернар Леон Фуко видоизменяет опыт Физо применив вместо зубчатого колеса зеркало.
  Результат Фуко при измерении скорости света:
  298000 км/с.
  
  

• 9 слайд

  
  КАК ИЗМЕРЯЛИ СКОРОСТЬ СВЕТА: МАЙКЕЛЬСОН
  
  В 1878 г. Майкельсон провел измерение скорости света на усовершенствованной им установке Фуко.
  В 1881 г. Майкельсон проводит первые опыты по обнаружению неподвижного эфира. В ходе эксперимента обнаруживается, что скорость света не зависит от движения Земли.
  В 1887 г. опыт Майкельсона – Морли еще раз показывает независимость скорости света от движения Земли.
  
  

• 10 слайд

  
  ДАЛЬНЕЙШИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
  
  В 1900 г. Макс Планк предложил свою квантовую гипотезу: электромагнитное излучение состоит из неделимых порций, энергия которых пропорциональна частоте излучения (электромагнитное излучение (свет) считалось непрерывным) Эта теория положила начало объединению волновой и корпускулярной теории света.
  1905 г. – Альберт Эйнштейн публикует специальную теорию относительности (СТО). Все законы природы одинаковы во всех инерциальных системах отсчета. Скорость света в пустоте одинакова во всех инерциальных системах отсчета и не зависит от скорости источника и приемника света.
  Теория относительности запрещает сверхсветовую скорость для материальных тел и для сигналов, несущих информацию. 
  1907 г. - Роза и Дорси измеряют скорость света с помощью электромагнитных постоянных
  
  

• 11 слайд

  
  ДАЛЬНЕЙШИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
  
  1915 г. - Альберт Эйнштейн публикует общую теорию относительности. ОТО – общая теория относительности, описывающая взаимосвязь физических процессов, происходящих в ускоренно движущихся друг относительно друга (неинерциальных) системах отсчета. ОТО является релятивистской теорией тяготения (гравитации). Согласно этой теории физическое пространство не является пустым вместилищем объектов. 
  Основная идея: эффекты тяготения и эффекты, возникающие при ускоренном движении неотличимы. Принцип эквивалентности инертной и гравитационной масс. Наличие сил инерции при неравномерном движении. Равенство инертной и гравитационной масс. 
  
  
  

• 12 слайд

  
  ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ
  
  Ни один материальный объект не может двигаться быстрее света; с точки зрения стационарного наблюдателя, размеры движущегося объекта сокращаются в направлении движения, а масса объекта возрастает, чтобы скорость света была одинаковой для движущегося и покоящегося наблюдателей, движущиеся часы должны идти медленнее. Пересматривается понятие стационарности. Движение или покой определяются всегда относительно некоего наблюдателя. Наблюдатель, едущий верхом на движущемся объекте, неподвижен относительно данного объекта, но может двигаться относительно какого-либо другого наблюдателя. Поскольку время становится такой же относительной переменной, как и пространственные координаты x, y и z, понятие одновременности также становится относительным. Два события, кажущихся одновременными одному наблюдателю, могут быть разделены во времени, с точки зрения другого.
  
  

• 13 слайд

  
  ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ
  
  Из других выводов, к которым приводит специальная теория относительности, заслуживает внимание эквивалентность массы и энергии.
  Масса m представляет собой своего рода «замороженную» энергию E, с которой связана соотношением E = mc², где c – скорость света. Таким образом, испускание фотонов света происходит ценой уменьшения массы источника.
  

• 14 слайд

  
  ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ
  
  Общая теория относительности Эйнштейна заменила ньютоновскую теорию гравитационного притяжения тел пространственно-временным математическим описанием того, как массивные тела влияют на характеристики пространства вокруг себя. Согласно этой точке зрения, тела не притягивают друг друга, а изменяют геометрию пространства-времени, которая и определяет движение проходящих через него тел. 
  

• 15 слайд

  
  ОБЩАЯ ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ
  
  Уравнения Эйнштейна связывают между собой свойства материи, заполняющей искривлённое пространство-время, с его кривизной. При этом они являются простейшими и наиболее линейными среди всех мыслимых уравнений такого рода.
  
  где Rab — тензор Риччи, получающийся из тензора кривизны пространства-времени Rabcd посредством свёртки его по паре индексов,
  R — скалярная кривизна, то есть свёрнутый тензор Риччи,
  gab - метрический тензор,
  Λ - космологическая постоянная,
  Tab - тензор энергии-импульса материи,
  π - число пи, c - скорость света в вакууме,
  G – гравитационная постоянная Ньютона).
  

• 16 слайд

  
  ДАЛЬНЕЙШИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
  
  1924 г. - Луи де Бройль распространяет дуальную (волна либо частица) природу не только на свет, но и на всю существующую материю.
  В 1925 г. - Дэйтон Миллер повторяет опыт Майкельсона – Морли и объявляет, что он обнаружил изменение скорости света, в зависимости от направления движения Земли, подтверждающее теорию неподвижного эфира и он даже был удостоен нескольких наград за это открытие, но проведенная в 1955 г. экспертиза его работы показала, что наиболее вероятно причиной обнаруженных им явлений были суточные и годичные изменения температуры установки, результаты были признаны ошибочными.
  
  

• 17 слайд

  
  ДАЛЬНЕЙШИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
  
  1966 г. - Мартин Рис теоретически обосновывает условия при которых в космосе могут наблюдаться иллюзорные сверхсветовые
  источники.
  1967 г. - Дж.Фейнберг выдвигает гипотезу существования частиц, обладающих сверхсветовой скоростью в рамках специальной теории относительности, т.н. тахионов.
  1970 г. - астрономы находят первые спектрально сверхсветовые источники, предсказанные Мартином Рисом - квазары 3С 279 и 3С 273
  1970 г. - Летохов пишет и защищает дисертацию по лазерным импульсам. Теория Басова и Летохова обьясняет и эксперементально показывает движение со сверхсветовой скоростью гребня лазерного импульса.
  
  

• 18 слайд

  
  САМОЕ ТОЧНОЕ ЗНАЧЕНИЕ СКОРОСТИ СВЕТА
  
  С появлением лазеров у людей появились новые возможности и способы для измерение скорости света, а развитие теории позволило рассчитывать скорость света косвенно, без проведения прямых измерений.
  На сегодняшний день самым точным значением скорости света принято считать значение 299 792 458 м/с, полученное в 1983 году.
  С 1983 г. повышать точность измерения скорости света перестали, т.к. на Генеральной конференции мер и весов было принято следующее определение метра в системе единиц СИ (Система Интернациональная): "Метр есть расстояние, проходимое светом в вакууме за время в 1/299 792 458 секунды".
  
  
  

• 19 слайд

  
  ЭКСПЕРИМЕНТЫ ВОНГА И МУГНАИ
  
  При специально созданных условиях можно наблюдать сверхсветовые скорости и при этом принципы теории относительности не нарушаются.
  2000 г. - Лиджун Вонг сообщает о результатах эксперимента, в ходе которого скорость света была превышена в 300 раз. Очень короткий лазерный импульс движется в особым образом подобранной среде в сотни раз быстрее, чем в вакууме. 
  2000 г. - эксперимент, проведенный Даниэлом Мугнаи, Анедио Ранфагни и Рокко Руггери, обнаружил, что радиоволны сантиметрового диапазона в обычном воздухе распространяются со скоростью, превышающей, скорость света с на 25%.
  
  

• 20 слайд

  
  Принцип ТО не опровергнут
  
  Световой импульс - суммарный ансамбль волн различной частоты. Следует различать фазовую скорость отдельной волны-компоненты и групповую скорость импульса в целом. Когда такой ансамбль попадает в среду, в которой волны разной частоты преломляются по-разному, с ним могут происходить разные интересные превращения. Манипулируя отдельными компонентами светового импульса, его групповую скорость можно замедлять, а можно и увеличить (хотя каждая из компонент светового пучка при этом не превышает положенные 300 тыс. км/с.
  

• 21 слайд

  
  Принцип ТО не опровергнут
  
  
  Исследователи (Вонг) запустили два идентичных лазерных луча, слегка лишь отличающихся по частоте.
  Это позволило сохранить форму импульса света и сместить его пик вперед во времени, так что, как говорят сами исследователи, "казалось, что пик импульса покидает ячейку до того, как в нее вошел". Однако, по мнению руководителя работ Л. Вонга, это «лишь разновидность логической ошибки». Полученная в эксперименте групповая скорость светового импульса была отрицательна по величине, то есть противоположно направлена! Отсюда и ощущение, что импульс покинул камеру за одну 62-миллиардную долю секунды до входа в нее.
  
  
  
  

• 22 слайд

  
  Принцип ТО не опровергнут
  
  
  
  Эксперименты по "ускорению" светового импульса не позволяют создавать сверхскоростные компьютеры, способные передавать информацию со "сверхсветовой" скоростью. Но проведенные эксперименты могут стимулировать дальнейшую дискуссию, как правильно детектировать появление световых сигналов.
  Теория относительности запрещает не все сверхсветовые движения, а лишь те, в которых проявляются причинно-следственные связи. Например, положение и скорость того или иного тела являются причиной его появления позже в другой точке. Поэтому движения тел невозможны, согласно теории относительности, со сверхсветовой скоростью. К таким движениям относятся также все движения, связанные с переносом информации и энергии.
  

• 23 слайд

  
  Принцип ТО не опровергнут
  
  Есть движения другого типа. Если с помощью зеркала направить солнечный зайчик на стену дома, то его положение на стене не является следствием его положения в другом месте в предыдущие моменты времени. Положение зайчика зависит лишь от наклона зеркала в руках наблюдателя. Поэтому зайчик может перемещаться по стене со сверхсветовой скоростью.
  Проявления таких "зайчиковых" эффектов есть как в природе, так и в физических экспериментах. Образ светового луча превысил скорость света, но образ не несет ни энергии, ни информации. С теоретической точки зрения такие эффекты давно изучены в работах В.Л. Гинзбурга, Б.М. Болотовского и др.ученых. Особенно ярко они проявляются в активных средах (средах, обладающих усилением). В лабораториях ФИАНа и ИОФАНа наблюдались импульсы, движущиеся в активной среде со скоростью, в несколько раз превышающей скорость света в пустоте. Это никак не противоречило теории относительности.
  
  
  

• 24 слайд

  
  НАБЛЮДЕНИЕ ЗА ГАЛАКТИКАМИ
  
  Наблюдения за дальними галактиками показали: скорость их удаления от нас превышает скорость света.
  Но ОТО указывает, что ни один объект не может двигаться быстрее света, а согласно формуле Доплера, если скорость объекта в пространстве приближается к скорости света, то его красное смещение стремится к бесконечности, длина волны становится слишком большой и поэтому недоступной для наблюдения.
  Но свет от этих галактик доходит до нас с таким же красным смещением, как и от галактик, движущихся с заметно меньшей скоростью.
  Учёными открыто около 1000 галактик, удаляющихся от нас со скоростями, превышающими скорость света.
  
  

• 25 слайд

  
  НАБЛЮДЕНИЕ ЗА ГАЛАКТИКАМИ
  
  Движение галактик со сверхсветовой скоростью возможно, если допустить, что движутся не галактики, а разделяющее их пространство.
  Движение галактик кажущееся (как и движение Солнца вокруг Земли) и обусловлено оно расширением пространства. Расширяющаяся Вселенная весьма напоминает трёхмерный аналог раздувающегося воздушного шара, и неправильно представлять себе галактики мчащимися через пространство в разные стороны от общего центра расширения. В действительности пространство между галактиками, разрастаясь (вытягиваясь), раздвигает галактики относительно друг друга.
  Способность пространства вытягиваться следует из общей теории относительности Эйнштейна.
  
  
  

• 26 слайд

  
  
  КАК УЧЁНЫЕ ОПРЕДЕЛЯЮТ РАССТОЯНИЯ ДО ДАЛЬНИХ
  ГАЛАКТИК И СКОРОСТИ ИХ УДАЛЕНИЯ
  
  
  
  Установить расстояния до галактик возможно путём измерения интенсивности приходящего от них света. Как у любого другого источника света, видимая яркость звезды тем меньше, чем дальше находится звезда. Зависимость квадратичная: в 2 раза дальше – в 4 раза слабее свет. Таким образом, измерив яркость звезды, можно определить до неё расстояние.
  

• 27 слайд

  
  
  КАК УЧЁНЫЕ ОПРЕДЕЛЯЮТ РАССТОЯНИЯ ДО ДАЛЬНИХ
  ГАЛАКТИК И СКОРОСТИ ИХ УДАЛЕНИЯ
  
  
  Необходимы эталоны свечения. В галактиках, расстояния до которых мы хотим определить, должны присутствовать звёзды с известным нам уровнем яркости. В качестве таких звёзд были выбраны сверхновые типа Ia. На небосводе вспыхивает звезда, её яркость быстро возрастает и через 2 недели достигает максимума. Потом яркость начинает убывать, звезда исчезает из вида телескопов. На максимуме светимости такие звёзды излучают примерно одинаковое количество света – в 4 млрд раз больше, чем наше Солнце. Их астрономы используют в качестве ≪стандартных свечей≫. Измеряя интенсивность света, приходящей от сверхновой звезды, по квадратичной зависимости легко определить расстояние до галактики, в которой она вспыхнула, а далее и скорость её удаления.
  

• 28 слайд

  
  
  КАК ПУТЕШЕСТВОВАТЬ БЫСТРЕЕ СКОРОСТИ СВЕТА
  
  
  СТО применима только локально, в ближайшей окрестности наблюдателя. В нашей ближайшей окрестности (к примеру, в Солнечной системе) она работает, в чем мы легко можем убедиться по данным наших космических зондов. Но глобально (т.е. в космологическом масштабе, в масштабе Вселенной) мы должны пользоваться не специальной, а ОТО. В ней пространство-время превращается в ткань, и ткань эта способна растягиваться быстрее света. Кроме того, она допускает существование «пространственных дыр», которые позволяют мгновенно преодолевать пространство и время.
  
  

• 29 слайд

  
  
  КАК ПУТЕШЕСТВОВАТЬ БЫСТРЕЕ СКОРОСТИ СВЕТА
  
  
  Один из способов путешествовать быстрее скорости света — воспользоваться ОТО. Сделать это можно 2 способами.
  Растянуть пространство. Если бы мы научились растягивать пространство позади себя и сжимать пространство впереди, впечатление бы возникло такое, как будто мы переместились из одного места в другое быстрее света. На самом деле мы не двигались бы вообще. Но деформация пространства впереди и позади корабля позволила бы нам в мгновение ока добраться до отдаленных звезд.
  Разорвать пространство. В 1935 г. Эйнштейн ввел понятие «кротовая нора». Кротовая нора - «устройство», способное связать 2 вселенные. Кратчайшее расстояние между двумя точками - прямая. Но это не обязательно так: если свернуть лист бумаги так, чтобы точки соединились, то кратчайшим расстоянием между ними как раз и станет кротовая нора.
  
  

• 30 слайд

  
  
  КРОТОВАЯ НОРА
  
  
  Чтобы удерживать кротовую нору открытой, нужны области пространства с отрицательной энергией. Может быть, требуемая форма экзотической материи с отрицательной энергией не существует.
  
  

• 31 слайд

  
  
  ДЕФОРМАЦИЯ ПРОСТРАНСТВА
  
  
  Сверхсветовые полёты с использование "деформации пространства" используются в фантастических фильмах. Деформация пространства-времени даёт возможность объекту перемещаться быстрее света, оставаясь при этом на времениподобной траектории. Главные проблемы здесь такие же, как у больших кротовых нор. Для выполнения нужной деформации требуется экзотическая материя с отрицательной плотностью энергии. Даже если такая материя существует, не ясно, как именно её использовать, чтобы деформация пространства работала нужным образом.
  
  

• 32 слайд

  
  
  ЗАКЛЮЧЕНИЕ
  
  
  Две великие физические теории 20 века – теория относительности и квантовая механика – имеют в своей основе запреты. Первая запрещает передвижение со сверхсветовой скоростью, вторая провозглашает принцип неопределенности, согласно которому нельзя с абсолютной точностью произвести одновременное измерение момента и местонахождения частицы: чем точнее вы определите ее место, тем неопределенней будет ваша информация о ее моменте, и наоборот.
  Трудно определить, что имеется в виду под сверхсветовым перемещением и передачей информации. Некоторые объекты, например тени, могут перемещаться быстрее света, но пользы от этого мало, так как они не могут переносить информацию.
  В научной литературе рассматривается несколько серьёзных возможностей реального сверхсветового перемещения. Все они очень трудны технически.
  
  

• 33 слайд

  
  
  ЗАКЛЮЧЕНИЕ
  
  
  Квантовая механика, похоже, не даёт возможности использовать наблюдаемые сверхсветовые квантовые эффекты для перемещения информации или вещества.
  В общей теории относительности потенциально есть способы сверхсветового перемещения, но может оказаться, что практически они нереализуемы.
  Похоже, что в обозримом будущем или никогда инженеры не смогут строить сверхсветовые космические корабли. Но интересно, что теоретическая физика пока не отрицает такую возможность.
  Сверхсветовые полёты в том виде, как о них пишут в фантастической литературе, почти наверняка невозможны. Физиков интересует "почему они невозможны, и чему это нас учит".
  
  

• 34 слайд

  
  
  ИСТОЧНИКИ
  
  
  
  http://www.nanonewsnet.ru
  http://cyber-ek.ru
  http://ru.science.wikia.com
  http://www.femto.com.ua
  https://ru.wikipedia.org
  http://www.b-i-o-n.ru