Задался вопросом: почему между молнией и громом есть задержка, и вообще почему свет и звук так кардинально отличаются по скорости? Свет - около 300 000 км/с, звук - примерно 340 м/с. Разница колоссальная.
Это случайность природы или есть какое то фундаментальное физическое объяснение? Интересует именно механика, а не просто "потому что так устроено".
Потому что это принципиально разные физические явления, и сравнивать их скорости - все равно что удивляться, почему рыба плавает медленнее самолета.
Звук - механическая волна. Это последовательное сжатие и разрежение молекул среды. Молекулы воздуха толкают друг друга, передавая колебание дальше. Скорость ограничена тем, насколько быстро молекулы могут передать импульс соседке - это зависит от упругости среды и плотности. В воздухе при 20 градусах получается около 343 м/с.
Свет - электромагнитная волна. Ей не нужна никакая среда вообще. Это распространяющееся изменение электромагнитного поля в вакууме. Скорость определяется двумя фундаментальными константами природы: электрической постоянной e0 и магнитной постоянной u0. Формула простая: c = 1 / sqrt(e0 * u0). Эти константы определяют саму структуру пространства-времени.
По сути 300 000 км/с - это не просто скорость фотона. Это геометрическая константа вселенной, связывающая пространство и время. Эйнштейн показал что ничто с ненулевой массой не может ее достичь, и именно поэтому она абсолютна для всех наблюдателей.
Так что разница в скорости не случайность - она отражает принципиальное различие природы этих двух явлений.
Коротко: звук - волна в веществе, свет - волна в поле. Вещество инертно, поле нет. Вот и вся история.
Добавлю занятный факт к ответу выше.
В разных средах эта разница может быть совсем другой. Звук в воде распространяется со скоростью около 1500 м/с - в четыре раза быстрее чем в воздухе. В стали вообще 5000 м/с. А свет в воде замедляется до примерно 225 000 км/с из за взаимодействия с молекулами.
На этом принципе работают черенковские детекторы: заряженные частицы в воде движутся быстрее локальной скорости света в этой среде и создают что то вроде светового "звукового барьера" - конус излучения. Именно поэтому активная зона ядерных реакторов светится голубым.
Просто интересно: а свет всегда был такой скоростью или она менялась с возрастом вселенной? Читал что физические константы могли быть другими в первые секунды после Большого взрыва.
Помню в школе объясняли через эфир, мол свет распространяется в эфире как звук в воздухе. Майкельсон и Морли потом это опровергли экспериментом. Забавно что интуитивно хочется найти среду для света - мозг не может принять что волна существует без носителя.
Отличное объяснение про e0 и u0, именно этого и не хватало в школьных учебниках. Спасибо.