Физический смысл постоянства скорости света

[kinoman84]

Уважаемые форумчане, помогите пожалуйста разобраться в паре-тройке волнующих вопросов, дав максимально популярный и понятный для любителя ответ.

1. Максвелл доказал постоянство скорости света. Как он к этому пришел? Тогда ведь не знали о теории относительности, как вообще такое можно было постулировать?
2. Я как-то читал, что свет, распространяясь, подпитывает сам себя. Но что это значит? И из-за этого ли его скорость постоянна? Или есть другое физическое объяснение?
3. Что значит понятие "электромагнитные волны поперечны по своей природе"?
4. Что заставляет свет отклоняться от прямолинейного движения вблизи массивных объектов? Все-таки это искривленное пространство или взаимодействие с гравитонами?

Заранее спасибо за ответы.

[Munin]

kinoman84 в сообщении #1003532 писал(а):

1. Максвелл доказал постоянство скорости света.

Вообще-то нет.

Доказывали её много позже: Лоренц, Пуанкаре, Эйнштейн.

Максвелл доказал только постоянство скорости света относительно эфира (в терминологии его времён) - относительно зафиксированной системы отсчёта (как это называется сегодня).

Для этого, надо было найти скорость электромагнитных волн, как решений уравнений Максвелла. А это к тому моменту математики уже умели делать - они научились примерно в начале 19 века. Это аналогично решению уравнений для струны и для волн на воде. См. курсы "Колебания и волны", "Обыкновенные дифференциальные уравнения", "Уравнения математической физики". (Требуется физическая и математическая подготовка на уровне 2-3 курсов.)

kinoman84 в сообщении #1003532 писал(а):

2. Я как-то читал, что свет, распространяясь, подпитывает сам себя. Но что это значит?

Это плохая формулировка. Лучше её просто забыть, и не задумываться.

При распространении света, энергия перемещается из одного места в пространстве в другое. Вот и всё. Нельзя сказать, что что-то "подпитывается", потому что энергия не берётся из ниоткуда, и не увеличивается в процессе. Есть закон сохранения энергии, и энергия остаётся той же самой. Точнее даже, несколько рассеивается в пространстве, и может поглощаться за счёт не идеально прозрачной среды.

kinoman84 в сообщении #1003532 писал(а):

3. Что значит понятие "электромагнитные волны поперечны по своей природе"?

Опять: ничего не значит. Они поперечны, и всё. Безо всяких "по своей природе".

Это значит, что когда исследуют луч света, то его можно поляризовать в двух направлениях, оба перпендикулярны направлению луча. Такие поляризованные лучи будут накладываться друг на друга как независимые колебания. Если исследовать радиоволны, излучаемые антеннами, то эти направления соответствуют антеннам, протянутым поперёк направления распространения волны в двух ориентациях. То есть, двум направлениям тока, и значит, двум направлениям электрического, и соответственно магнитного, поля.

kinoman84 в сообщении #1003532 писал(а):

4. Что заставляет свет отклоняться от прямолинейного движения вблизи массивных объектов? Все-таки это искривленное пространство или взаимодействие с гравитонами?

Это два разных способа описать одно и то же явление. Они друг другу не противоречат, а наоборот, математически соответствуют, как два разных способа записать уравнение.

[kinoman84]

Munin
Спасибо за ответы. Но всё-таки чем так исключительны фотоны и другие безмассовые частицы? Если частица летит почти со скоростью света, ее все-таки можно догнать. Но если частица летит со скоростью света, она будет удаляться от нас с той же скоростью света, даже если мы будем лететь за ней почти со скоростью света. Откуда берется эта грань резкого перехода?

[nenefertiti]

Munin в сообщении #1003574 писал(а):

kinoman84 в сообщении #1003532 писал(а):

1. Максвелл доказал постоянство скорости света.

Вообще-то нет.

Доказывали её много позже: Лоренц, Пуанкаре, Эйнштейн.

Дык разве это не постулат?

[Munin]

kinoman84 в сообщении #1003582 писал(а):

Но всё-таки чем так исключительны фотоны и другие безмассовые частицы?

Ничем не исключительны, кроме своей безмассовости.

Считайте, что это как лотерея: одним выпала масса, другим выпал нуль.

(На самом деле, в этой лотерее есть закономерности. Но это совсем-совсем другая история...)

kinoman84 в сообщении #1003582 писал(а):

Если частица летит почти со скоростью света, ее все-таки можно догнать. Но если частица летит со скоростью света, она будет удаляться от нас с той же скоростью света, даже если мы будем лететь за ней почти со скоростью света. Откуда берется эта грань резкого перехода?

На самом деле, этой грани нет.

Если вы будете догонять частицу, которая летит со скоростью почти $c,$ то вам придётся долго-долго увеличивать свою скорость, чтобы её догнать. Для частицы, которая летит со скоростью ровно $c,$ это "долго-долго" превращается в "бесконечно долго". Как видите, переход отнюдь не резкий.

Ну и можно подробнее, с формулами из механики, если вы знакомы со СТО хотя бы на уровне ЛЛ-2 первых двух глав.

nenefertiti в сообщении #1003590 писал(а):

Дык разве это не постулат?

Есть разные формулировки: в одних постулат, в других - нет. В общем, сейчас не принято именно это делать постулатом.

[kinoman84]

Munin
Такой мысленный эксперимент. Допустим, мы поместили фотон между двумя отражателяли и заставили его отражаться попеременно от каждого из них. Если теперь мы начнем сближать отражатели и постепенно сблизим до расстояния, равного диаметру фотона, что произойдет?

[aa_dav]

kinoman84 в сообщении #1003582 писал(а):

Но всё-таки чем так исключительны фотоны и другие безмассовые частицы? Если частица летит почти со скоростью света, ее все-таки можно догнать. Но если частица летит со скоростью света, она будет удаляться от нас с той же скоростью света, даже если мы будем лететь за ней почти со скоростью света. Откуда берется эта грань резкого перехода?

В классической механике таким же свойством обладает "скорость" мгновенных взаимодействий. Допустим в ИСО1 тело преодолело от неподвижной точки $A$ до то неподвижной точки $B$ 5 метров за 5 секунд, тогда мы говорим что его скорость 1 м/с. В другой ИСО2 то же тело в силу того что точки $A$ и $B$ успевают за 5 секунд сдвинутся уже будет преодолевать, допустим 10 метров за те же 5 секунд, и мы говорим что его скорость составляет 2 м/с. Ок. Но есть "особый класс" скоростей, когда, например, по Ньютоновскому приближению гравитационное взаимодействие распространяется мгновенное, т.е. если, например, где то осциллирует массивный груз, то удалённый сверхточный детектор будет чувствовать эти осцилляции мгновенно. А значит гравитационная волна "пролетает" эти 5 метров за... 0 секунд. Можно сказать что мы имеем дело со скоростью 5/0 м/с. Удивительно ли то, что в любой системе отсчёта эта "скорость" всегда будет равна 5/0 м/с? Действительно в любой ИСО за 0 секунд точки $A$ и $B$ просто не успевают сдвинутся с места, поэтому гравиволна всегда и везде будет распространятся через эти 5 метров за 0 секунд. В делении на ноль можно усмотреть понятие бесконечности и называть эту скорость "бесконечнобыстрой". Итак, мы приходим к выводу, что такая скорость не зависит от выбора и смены системы отсчета, что выглядит вполне естественно. Более того - нельзя двигаться быстрее. Нельзя связать систему отсчета с телом двигающимся с такой скоростью и т.п. Теперь о массе. Если взять пробную частицу массой $m$ и передать ей импульс $p$, то её скорость как то изменится. Нетрудно показать что при стремлении массы к нулю скорость стремится к бесконечности. Той самой инвариантной бесконечноскорости. Так что безмассовые частицы можно рассматривать как эдакие штуки которые "от любого чиха" мгновенно улетают как угодно далеко. Всё это на концептуальном уровне удивительно похоже на то что происходит в СТО, не так ли?

[DimaM]

kinoman84 в сообщении #1003681 писал(а):

Допустим, мы поместили фотон между двумя отражателяли и заставили его отражаться попеременно от каждого из них. Если теперь мы начнем сближать отражатели и постепенно сблизим до расстояния, равного диаметру фотона, что произойдет?

При сближении зеркал энергия фотона будет увеличиваться, а соответствующая длина волны - уменьшаться. Про "диаметр" фотона, по-моему, говорить нехорошо и неправильно.

[kinoman84]

aa_dav
Спасибо за интересный ответ.

[aa_dav]

kinoman84 в сообщении #1003710 писал(а):

Спасибо за интересный ответ.

Пожалуйста. :)
Раз всё понятно, то вопрос должен трансформироваться в другую формулировку "почему в СТО бесконечноскорость стала конечной величиной?".
Именно так теперь "основной вопрос" и должен выглядеть. Само понятие инвариантной скорости и прочих околопобочных явлений теперь уже неинтересно, интересно как так получается, что эта инварантность стала конечной. Можно тоже показать, что СТО превращается в Ньютона при стремлении скорости света к бесконечности, на чём в общем то основаны "наизнанку" рассуждения о том, что формулы Ньютона работают при скоростях много меньших скорости света - это две стороны одной медали.
И ответ на это в том, что структура пространства-времени в СТО является псевдоевклидовой, пространством-временем Минковского, чисто геометрия которого такова, что при переходе из ИСО в ИСО мировые линии света (45 градусов к оси времени) не испытывают наклона (смены скорости), точно так же как в геометрии Галилея горизонтальные линии (90 градусов к оси времени) бесконечноскоростных взаимодействий не испытывали тоже изменения угла наклона к осям. Т.е. суть теории не в том, что существует какая то инвариантная скорость, а в том в каком пространстве-времени какую величину и особенности она имеет.

[Munin]

kinoman84 в сообщении #1003681 писал(а):

Такой мысленный эксперимент.

DimaM ответил полностью, мне нечего добавить.

[kinoman84]

aa_dav
Нутром чую, что пытаетесь донести доступным языком фундаментальную мысль, но до конца понять не могу.
Как же так получается, что частица, которая имеет вполне определенную конечную скорость, абсолютно для всех наблюдателей движется с одинаковой скоростью?

[Munin]

kinoman84 в сообщении #1003950 писал(а):

Нутром чую, что пытаетесь донести доступным языком фундаментальную мысль, но до конца понять не могу.

Почитайте Тейлора-Уилера. (Кажется, вы даже начинали его читать.)

А в изложении на форуме - это, конечно, мысль фундаментальная, но разве ж её донесёшь? Так, показать издалека.

[kinoman84]

Munin
Пытался осилить, но испугался большого числа формул.

[Munin]

Дык там как раз они очень тщательно и по буковке разжёвываются.

Для тех, кто не боится формул, я рекомендую другое: Ландау, Лифшиц "Теория поля". The best textbook, imho.